DE112011103079T5 - Simplified turbocharger with variable geometry with an increased current range - Google Patents

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Abstract

Ein Turbolader mit veränderlicher Geometrie ist vereinfacht, jedoch noch in der Lage, die Impulsenergie aufrechtzuerhalten. Gemäß einer ersten Ausführungsform ist ein Turbinengehäuse mit einem schwenkbaren Stromsteuerventil versehen, das um einen Punkt in der Nähe des Eingangs in das Turbinengehäuse geschwenkt wird. Durch Bewegen des Ventils um den Schwenkpunkt wird das effektive Volumen des Turbinengehäuseverdichters geändert, wodurch das Volumen des Abgases im Verdichter effektiv verringert wird, wodurch eine Steuerung des zum Turbinenrad strömenden Abgases möglich ist. Gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung wird ein drehbares Keilsegment innerhalb des Verteilers aus einer ersten Position in eine zweite Position gedreht, wodurch das effektive Volumen des Verteilers geändert wird und eine Steuerung des zum Turbinenrad strömenden Abgases möglich ist.A variable geometry turbocharger is simplified but still capable of sustaining the momentum energy. According to a first embodiment, a turbine housing is provided with a pivotal flow control valve which is pivoted about a point near the entrance to the turbine housing. By moving the valve about the pivot point, the effective volume of the turbine housing compressor is changed, effectively reducing the volume of exhaust gas in the compressor, thereby allowing control of the exhaust gas flowing to the turbine wheel. According to the second embodiment of the invention, a rotatable wedge segment within the distributor is rotated from a first position to a second position, whereby the effective volume of the distributor is changed and control of the exhaust gas flowing to the turbine wheel is possible.

Figure 00000001
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Description

GEBIET DER ERFINDUNGFIELD OF THE INVENTION

Diese Erfindung richtet sich auf den Bedarf an einer Turbinenstromsteuervorrichtung mit verringerten Kosten und einem vergrößerten Bereich, und sie erreicht dies durch Entwerfen eines Gehäuses eines vereinfachten Turboladers mit veränderlicher Geometrie, das einen gesteuerten asymmetrischen Strom zum Turbinenrad aufweist.This invention addresses the need for a turbine flow control device of reduced cost and increased range, and accomplishes this by designing a simplified variable geometry turbocharger housing having a controlled asymmetric flow to the turbine wheel.

HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION

Turbolader sind ein Typ eines Systems mit erzwungener Induktion. Sie führen dem Motoreinlass Luft mit höherer Dichte zu als dies bei der normalen Ansaugkonfiguration möglich wäre, wodurch mehr Kraftstoff verbrannt werden kann, so dass die PS-Zahl des Motors erhöht wird, ohne das Gewicht des Motors erheblich zu vergrößern. Ein kleinerer turbogeladener Motor kann einen normalen Saugmotor mit einer höheren physikalischen Größe ersetzen, wodurch die Masse und die aerodynamische Frontfläche des Fahrzeugs verringert werden.Turbochargers are one type of forced induction system. They deliver higher density air to the engine intake than would be possible with the normal intake configuration, allowing more fuel to be burned, thus increasing the horsepower of the engine without significantly increasing the weight of the engine. A smaller turbocharged engine can replace a normal naturally aspirated engine with a larger physical size, thereby reducing the mass and aerodynamic frontal area of the vehicle.

Turbolader (1) verwenden den Abgasstrom (100) vom Motorabgasverteiler, welcher am Turbineneinlass (51) eines Turbinengehäuses (2) in das Turbinengehäuse eintritt, um ein Turbinenrad (70) anzutreiben, das sich im Turbinengehäuse befindet. Das Turbinenrad ist an einem Ende einer Welle starr befestigt. Ein Kompressorrad (20) ist am anderen Ende der Welle angebracht und wird durch die Klemmlast von einer Kompressormutter in Position gehalten. Die Primärfunktion des Turbinenrads besteht darin, Drehleistung zum Antreiben des Kompressors bereitzustellen. Sobald das Abgas durch das Turbinenrad (70) hindurchgetreten ist und das Turbinenrad Energie aus dem Abgas entnommen hat, tritt das verbrauchte Abgas (101) durch den Auslass (52) aus dem Turbinengehäuse (2) aus und wird zum Fahrzeugauspuff und gewöhnlich zu Nachbehandlungsvorrichtungen in der Art von Katalysatoren, Teilchenfallen und NOx-Fallen geleitet.Turbocharger ( 1 ) use the exhaust stream ( 100 ) from the engine exhaust manifold, which at the turbine inlet ( 51 ) of a turbine housing ( 2 ) enters the turbine housing to a turbine wheel ( 70 ), which is located in the turbine housing. The turbine wheel is rigidly attached to one end of a shaft. A compressor wheel ( 20 ) is attached to the other end of the shaft and held in place by the clamping load of a compressor nut. The primary function of the turbine wheel is to provide rotational power to drive the compressor. Once the exhaust gas through the turbine wheel ( 70 ) and the turbine wheel has taken energy from the exhaust gas, the spent exhaust gas ( 101 ) through the outlet ( 52 ) from the turbine housing ( 2 ) and is routed to the vehicle exhaust and usually to aftertreatment devices such as catalysts, particulate traps and NO x traps.

Die durch die Turbinenstufe entwickelte Leistung ist eine Funktion des Expansionsverhältnisses über die Turbinenstufe, d. h. des Expansionsverhältnisses vom Turbineneinlass (51) zum Turbinenauslass (52). Der Bereich der Turbinenleistung ist eine Funktion des Massenstroms durch die Turbinenstufe, abgesehen von anderen Parametern.The power developed by the turbine stage is a function of the expansion ratio across the turbine stage, ie, the expansion ratio of the turbine inlet ( 51 ) to the turbine outlet ( 52 ). The range of turbine power is a function of the mass flow through the turbine stage, apart from other parameters.

Die Kompressorstufe besteht aus einem Rad und seinem Gehäuse. Gefilterte Luft wird durch die Drehung des Kompressorrads (20) axial in den Einlass (11) einer Kompressorabdeckung (10) gesogen. Die durch die Turbinenstufe erzeugte und auf die Achse und das Rad einwirkende Leistung treibt das Kompressorrad (20) an, um eine Kombination aus einem statischen Druck und restlicher kinetischer Energie und Wärme zu erzeugen. Das unter Druck stehende Gas tritt durch den Kompressorausgang (12) aus der Kompressorabdeckung (10) aus und wird, gewöhnlich über einen Intercooler, zum Motoreinlass überführt.The compressor stage consists of a wheel and its housing. Filtered air is released by the rotation of the compressor wheel ( 20 ) axially into the inlet ( 11 ) a compressor cover ( 10 sucked). The power generated by the turbine stage and acting on the axle and the wheel drives the compressor wheel ( 20 ) to produce a combination of static pressure and residual kinetic energy and heat. The pressurized gas passes through the compressor outlet ( 12 ) from the compressor cover ( 10 ) and is transferred to the engine intake, usually via an intercooler.

Der Entwurf der Turbinenstufe ist ein Kompromiss zwischen der für das Antreiben des Kompressors in verschiedenen Strombereichen in der Einhüllenden des Motorbetriebs erforderlichen Leistung, dem aerodynamischen Entwurf der Stufe, der Trägheit der sich drehenden Anordnung, von welcher die Turbine ein großer Teil ist, weil das Turbinenrad typischerweise aus Inconel hergestellt ist, das eine 3 Mal größere Dichte hat als das Aluminium des Kompressorrads, des Arbeitszyklus des Turboladers, der die strukturellen und materiellen Aspekte des Entwurfs beeinflusst, und des Nahfelds (Abgasstroms) sowohl stromaufwärts als auch stromabwärts des Turbinenrads in Bezug auf die Schaufelanregung.The design of the turbine stage is a compromise between the power required to drive the compressor in different current ranges in the envelope of engine operation, the aerodynamic design of the stage, the inertia of the rotating assembly, of which the turbine is a large part, because the turbine wheel typically made of Inconel, which has a density three times greater than the aluminum of the compressor wheel, the duty cycle of the turbocharger that affects the structural and material aspects of the design, and the near field (exhaust flow) both upstream and downstream of the turbine wheel the blade excitation.

Ein Teil des physikalischen Entwurfs des Turbinengehäuses ist ein Verdichter (47) oder ein Paar von Verdichtern, deren Funktion darin besteht, die Einlassbedingungen für das Turbinenrad zu steuern, so dass die Einlassstrombedingungen die wirksamste Übertragung der Leistung von der Energie im Abgas auf die vom Turbinenrad entwickelte Leistung, kombiniert mit den besten transienten Ansprecheigenschaften, bereitstellen. Theoretisch wird der vom Motor ankommende Abgasstrom gleichmäßig vom Verdichter einem Wirbelrad zugeführt, das auf der Turbinenradachse zentriert ist. Hierfür steht die Querschnittsfläche des Verdichters idealerweise an einem Maximum senkrecht zur Stromrichtung und nimmt allmählich und kontinuierlich ab, bis sie null wird. Die innere Begrenzung des Verdichters kann ein vollkommener Kreis sein, der als der Basiskreis (71) definiert ist, oder sie kann in bestimmten Fällen, beispielsweise bei einem in 2A dargestellten Doppelverdichter (48, 49), eine Spirale mit einem minimalen Durchmesser beschreiben, der nicht kleiner ist als 106% des Turbinenraddurchmessers.Part of the physical design of the turbine housing is a compressor ( 47 ) or a pair of compressors whose function is to control the inlet conditions for the turbine wheel so that the inlet flow conditions provide the most efficient transmission of power from the energy in the exhaust gas to the turbine wheel developed power, combined with the best transient response characteristics. Theoretically, the exhaust gas flow arriving from the engine is smoothly supplied by the compressor to a vortex wheel centered on the turbine wheel axle. For this purpose, the cross-sectional area of the compressor is ideally at a maximum perpendicular to the current direction and gradually and continuously decreases until it becomes zero. The inner boundary of the compressor can be a perfect circle that is considered the base circle ( 71 ), or in certain cases, such as an in 2A illustrated double compressor ( 48 . 49 ), describe a spiral with a minimum diameter not smaller than 106% of the turbine wheel diameter.

Der Verdichter ist durch den abnehmenden Radius der äußeren Begrenzung des Verdichters (53) und durch die innere Begrenzung, wie vorstehend beschrieben, in einer auf der ”X-Y”-Achse, wie in 4 dargestellt ist, definierten Ebene und die Querschnittsflächen an jeder Station in der durch die ”Z”-Achse verlaufenden Ebene, wie in 8A dargestellt ist, definiert. Die ”Z”-Achse steht senkrecht zu der durch die ”X-Y”-Achse definierten Ebene und ist auch die Achse des Turbinenrads. The compressor is characterized by the decreasing radius of the outer boundary of the compressor ( 53 ) and through the inner boundary, as described above, in one on the "XY" axis, as in FIG 4 is defined, and the cross-sectional areas at each station in the plane passing through the "Z" axis, as in FIG 8A is shown defined. The "Z" axis is perpendicular to the plane defined by the "XY" axis and is also the axis of the turbine wheel.

Mehrere Eingangsverdichter können auch durch Unterteilen der Verdichterfläche in Umfangsrichtung erzeugt werden. Der Verdichter wird durch axiale Wände (103, 104) unterteilt, die der sich verkleinernden äußeren Begrenzung des Verdichters folgen, wie in 15A dargestellt ist.Multiple input compressors can also be created by dividing the compressor area in the circumferential direction. The compressor is driven by axial walls ( 103 . 104 ), which follow the decreasing outer boundary of the compressor, as in 15A is shown.

Zur Konsistenz des Produktentwurfs wird ein System verwendet, bei dem die Entwicklung des Verdichters am Schnitt ”A” (4) eingeleitet wird, der als der Bezugsort für den Rest des Verdichters definiert ist. Der Bezugsort, der Schnitt ”A” ist als der Schnitt unter einem Winkel von ”P” Grad über der ”X”-Achse des Turbinengehäuses definiert, worin die ”X”-Achsen-, ”Y”-Achsen- und ”Z”-Achsenspezifikationen der Verdichterform enthalten sind.For the consistency of the product design, a system is used in which the development of the compressor at the intersection "A" ( 4 ) defined as the reference location for the remainder of the compressor. The reference location, section "A" is defined as the intersection at an angle of "P" degrees above the "X" axis of the turbine housing, where the "X" axis, "Y" axis and "Z" Axes specifications of the compressor form are included.

Die Größe und die Form des Verdichters sind folgendermaßen definiert: Der weit verbreitet verwendete Begriff A/R stellt das Verhältnis zwischen der Teilfläche im Schnitt ”A” und dem Abstand vom Zentroid (161) des schattierten Strombereichs zur Mittellinie des Turboladers dar. In 8A legt die Position des Zentroids (161) den Abstand RA zur Mittellinie des Turboladers fest. Für verschiedene Elemente einer Familie von Turbinengehäusen bleibt die allgemeine Form gleich, die Fläche im Schnitt ”A” ist jedoch, ebenso wie der Abstand RA, verschieden. Das A/R-Verhältnis wird im Allgemeinen als ”Name” für ein spezifisches Turbinengehäuse verwendet, um dieses Turbinengehäuse von anderen in derselben Familie (mit anderen A/R-Verhältnissen) zu unterscheiden. In 8A ist der Verdichter jener eines typischen unterteilten Turbinengehäuses, das erzwingt, dass die Formen der Verdichter annähernd dreieckig sind und annähernd die gleiche Fläche aufweisen. Im Fall eines Doppelstromentwurfs (wie in 8A dargestellt) sind die Flächen im Schnitt ”A” für beide Verdichter gleich. Die Zentroide (160, 161) der Flächen liegen beim gleichen Radius RA. Das durchschnittliche Zentroid, (163), liegt auf der Turbinengehäuse-Mittellinie beim gleichen Radius RA, weil die einzelnen Verdichter in diesem Abschnitt symmetrisch um die Trennwand sind.The size and shape of the compressor are defined as follows: The commonly used term A / R represents the ratio between the sectional area in section "A" and the distance from the centroid ( 161 ) of the shaded area of flow to the centerline of the turbocharger 8A sets the position of the centroid ( 161 ) fix the distance R A to the centerline of the turbocharger. For various elements of a family of turbine housings, the general shape remains the same, but the area in section "A" is different, as is the distance R A. The A / R ratio is generally used as a "name" for a specific turbine housing to distinguish this turbine housing from others in the same family (with different A / R ratios). In 8A the compressor is that of a typical divided turbine housing which forces the shapes of the compressors to be approximately triangular and of approximately the same area. In the case of a double-flow design (as in 8A shown), the areas in section "A" are the same for both compressors. The centroids ( 160 . 161 ) of the surfaces are at the same radius R A. The average centroid, ( 163 ) lies on the turbine housing centerline at the same radius R A because the individual compressors in this section are symmetrical about the bulkhead.

Der Schnitt ”A” wird um einen Winkel ”P” gegen die ”X”-Achse versetzt. Das Turbinengehäuse wird dann geometrisch in gleiche radiale Schnitte zerlegt (häufig 30°, so dass sie bei (30x + P°) liegen), und die Flächen (AA-M) und die Radien (RA-M) werden zusammen mit anderen geometrischen Definitionen in der Art der Eckradien definiert. Anhand dieser Definition werden Splines an Punkten entlang der Verdichterwände erzeugt, wodurch die gesamte Form des Verdichters definiert wird. Die Wanddicke wird zur Form des inneren Verdichters hinzugefügt, und es wird durch dieses Verfahren ein Turbinengehäuse definiert.The section "A" is offset by an angle "P" against the "X" axis. The turbine housing is then geometrically decomposed into equal radial sections (often 30 ° to lie at (30x + P °)), and the surfaces (A AM ) and radii (R AM ), along with other geometric definitions, in FIG Type of corner radii defined. Using this definition, splines are created at points along the compressor walls, thereby defining the overall shape of the compressor. The wall thickness is added to the shape of the inner compressor, and a turbine housing is defined by this method.

Die theoretisch optimierte Verdichterform für eine gegebene Fläche ist jene eines kreisförmigen Querschnitts, weil sie die minimale Oberfläche hat, welche die Fluidreibungsverluste minimiert. Der Verdichter wirkt jedoch nicht allein, sondern ist Teil eines Systems, so dass die Anforderungen des Stroms in den Ebenen vom in 4 dargestellten Schnitt ”A” zur Ebene am Schnitt ”M” und von ”M” zur Zunge die Funktionsweise der Turbinenstufe beeinflussen. Diese Anforderungen werden häufig durch andere Forderungen in der Art architektonischer Anforderungen (Platzverfügbarkeit) außerhalb des Turbinengehäuses, das Verfahren zum Anordnen und Anbringen des Turbinengehäuses am Lagergehäuse und den Übergang vom Schnitt ”A” zum Turbinenfuß (51) beeinträchtigt, welche in Kombination erzwingen, dass Turbinengehäuseverdichter einen rechteckigen oder dreieckigen Querschnitt sowie eine Kreisform oder Kombinationen aller Formen annehmen. Die Rechteckform des Verdichters in 1, worin ein Abschnitt ”D-K” dargestellt ist, ist ein Ergebnis der Anforderung, nicht nur VTG-(31)-Turbinenschaufeln in den Raum einzupassen, so dass der Strom durch die Turbinenschaufeln optimiert wird und die Turbinenschaufeln bewegt und durch Vorrichtungen außerhalb des Turbinengehäuses gesteuert werden können, sondern auch den Umriss des Turbinengehäuses zu minimieren, so dass der Turbolader an einen Motor passt.The theoretically optimized compressor shape for a given area is that of a circular cross-section because it has the minimum surface area that minimizes fluid friction losses. However, the compressor does not work alone, but is part of a system so that the requirements of the flow in the levels of in 4 illustrated section "A" to the plane at the intersection "M" and "M" to the tongue affect the operation of the turbine stage. These requirements are often met by other architectural requirements (space availability) outside the turbine housing, the method of locating and mounting the turbine housing to the bearing housing, and the transition from the "A" section to the turbine foot (FIG. 51 ), which in combination force turbine housing compressors to assume a rectangular or triangular cross-section as well as a circular shape or combinations of all shapes. The rectangular shape of the compressor in 1 in which a section "DK" is shown is a result of the request, not just VTG ( 31 ) Turbine blades into the space so that the flow through the turbine blades is optimized and the turbine blades can be moved and controlled by devices outside the turbine housing, but also to minimize the outline of the turbine housing so that the turbocharger fits an engine.

Der Turbinengehäusefuß ist gewöhnlich von einem Standardentwurf, weil er zu Abgasverteilern vieler Motoren passt. Der Fuß kann in einem beliebigen Winkel zum ”Verdichter” oder in einer beliebigen Position zum ”Verdichter” angeordnet werden. Der Übergang von den Fußgasdurchgängen zum Verdichter erfolgt in einer Weise, welche den besten aerodynamischen und mechanischen Kompromiss bereitstellt.The turbine housing foot is usually of a standard design because it fits exhaust manifolds of many engines. The foot can be placed at any angle to the "compressor" or in any position to the "compressor". The transition from the foot gas passages to the compressor is in a manner that provides the best aerodynamic and mechanical compromise.

Die grob dreieckige Form der Verdichter in 2 in den gleichen Abschnitten wie den vorstehend erwähnten ist die typischere Verdichtergeometrie für feste Turbinengehäuse und mit einem Wastegate versehene Turbinengehäuse. Die Trennwand (25) wird hinzugefügt, um die aerodynamische ”Querströmung” zwischen den Verdichtern zu verringern, um zu versuchen, einen Impulsstrom von einem unterteilten Verteiler (36) aufrechtzuerhalten, um die Impulsenergie in der durch das Turbinenrad extrahierten Arbeit zu ernten. Die Druckimpulse in dem Abgasverteiler sind eine Funktion der Zündreihenfolge des Motors.The roughly triangular shape of the compressor in 2 in the same sections as those mentioned above, the more typical compressor geometry is for solid turbine housings and wastegate turbine housings. The partition ( 25 ) is added to the aerodynamic "cross-flow" between the compressors in order to try to get a pulse stream from a subdivided distributor ( 36 ) to harvest the pulse energy in the work extracted by the turbine wheel. The pressure pulses in the exhaust manifold are a function of the firing order of the engine.

In der kommerziellen Praxis werden Turbinengehäuse typischerweise in Familien (typischerweise 5 bis 7 in einer Familie) entworfen, wobei in einer gegebenen Familie Turbinenräder gleichen Durchmessers oder eine Gruppe von Rädern mit nahezu gleichem Durchmesser verwendet werden. Sie können die gleiche Turbinenfußgröße verwenden, auch wenn dieses Merkmal manchmal vom Kunden vorgegeben wird. Beispielsweise kann eine Familie von Turbinengehäusen für ein 63-mm-Turbinenrad einen A/R-Bereich von 1,8 bis 2,2 abdecken. 5 zeigt den Flächenplan für drei Verdichter einer Familie. Der größte Verdichter ist ein 1,2-A/R-Verdichter, der durch die gepunktete Linie (45) dargestellt ist. Der kleinste Verdichter ist ein 0,8-A/R-Verdichter, der durch die unterbrochene Linie (46) dargestellt ist, und der mittlere Verdichter in der Mitte der Familie ist durch die durchgezogene Linie dargestellt. Die X-Achse zeigt den Winkel des Schnitts von 30° (Abschnitt ”A”) bis 360° (Zunge). Die Y-Achse zeigt die Querschnittsfläche an dem jeweiligen Winkel. Typischerweise gibt es eine 8 bis 10%ige Differenz der Querschnittsfläche (in dem gegebenen Fall mit 12 Flächen) am Schnitt ”A” von einem A/R zum nächsten A/R in einer Entwurfsfamilie. Die Verdichteraußenwand mit dem größten A/R (45) aus 5 ist in 4 als die Innenfläche der Verdichterwand (40) dargestellt, und das kleinste A/R (46) aus 5 ist in 4 als Fläche (41) dargestellt.In commercial practice, turbine housings are typically designed in families (typically 5 to 7 in a family) using turbine wheels of the same diameter or a group of wheels of nearly equal diameter in a given family. You can use the same turbine foot size, although sometimes this feature is specified by the customer. For example, a family of turbine housings for a 63 mm turbine wheel may cover an A / R range of 1.8 to 2.2. 5 shows the area plan for three compressors of a family. The largest compressor is a 1.2 A / R compressor, indicated by the dotted line ( 45 ) is shown. The smallest compressor is a 0.8 A / R compressor, indicated by the broken line ( 46 ) and the middle compressor in the middle of the family is shown by the solid line. The X-axis shows the angle of the cut from 30 ° (section "A") to 360 ° (tongue). The Y-axis shows the cross-sectional area at the respective angle. Typically, there is an 8 to 10% difference in cross-sectional area (in the given case with 12 faces) at the intersection "A" from one A / R to the next A / R in a design family. The compressor outer wall with the largest A / R ( 45 ) out 5 is in 4 as the inner surface of the compressor wall ( 40 ), and the smallest A / R ( 46 ) out 5 is in 4 as area ( 41 ).

Einige Turbinenräder sind spezifisch dafür ausgelegt, diese Impulsenergie zu bändigen und sie in eine Drehgeschwindigkeit umzuwandeln. Demgemäß ist die Umwandlung des Drucks und der Geschwindigkeit aus dem Abgas für ein Impulsstrom-Turbinenrad in einem unterteilten Turbinengehäuse größer als die Umwandlung des Drucks und der Geschwindigkeit von einem Gleichgewichts-Abgasstrom in die Turbinenradgeschwindigkeit. Die Impulsenergie ist bei herkömmlichen Dieselmotoren, die bei etwa 2200 U/min bei einem Spitzendrehmoment bei 1200 bis 1400 U/min arbeiten, erheblicher als bei Benzinmotoren, die bei viel höheren Drehgeschwindigkeiten, häufig bis zu 6000 U/min, mit einem Spitzendrehmoment bei 4000 U/min, arbeiten, so dass der Impuls nicht so gut definiert ist.Some turbine wheels are specifically designed to curb this pulse energy and convert it to a rotational speed. Accordingly, the conversion of the pressure and velocity from exhaust gas for a pulse turbine impeller in a split turbine casing is greater than converting the pressure and velocity from an equilibrium exhaust gas flow to the turbine wheel speed. The pulse energy is more significant in conventional diesel engines operating at about 2200 RPM with peak torque at 1200 to 1400 RPM than in gasoline engines operating at much higher rotational speeds, often up to 6000 RPM, with peak torque at 4000 RPM, work so that the impulse is not well defined.

Die grundlegende Turboladerkonfiguration ist jene eines festen Turbinengehäuses. Bei dieser Konfiguration werden die Form und das Volumen des Turbinengehäuseverdichters im Entwurfsstadium festgelegt und am Ort gegossen. Die meisten Dieselturbinengehäuse sind von der unterteilten Abart mit einer radialen Trennwand (25), wie in 2 dargestellt ist, welche die beiden Verdichter trennt, um die Impulsenergie für das Turbinenrad zu erhalten. Die Länge der Trennwand ist typischerweise derart, dass die innere Begrenzung in etwa am Basiskreis liegt. Je dichter die Spitze der Trennwand am Basiskreis liegt, desto größer ist die Erhaltung der Impulsenergie, desto größer ist allerdings die Neigung zum Reißen des Gussstücks in der Trennwand. Es gibt viele Gründe für dieses Reißen, vorherrschend ist jedoch die Schlacke, die beim Gießprozess durch das Muster gedrückt wird, was bedeutet, dass die Integrität des Materials in der Nähe der Spitze der Trennwand suboptimal ist, und der zweite Grund ist die Tatsache, dass die Temperaturverteilung um die Verdichter bewirkt, dass sich das Gussstück ”abwickeln” möchte. Den thermischen Kräften, die das ”Abwickeln” des Turbinengehäuses erzeugen, wird durch die vertikale Trennwand ein Widerstand entgegengesetzt, was zu Rissen in der Wand führt. Wenngleich ein Riss nur geringe physikalische Schäden herbeiführt, besteht der nächste Schritt beim Reißen darin, dass sich Teile der gusseisernen Trennwand von dem Gussstück ablösen und von dem Turbolader oder vom Motor aufgenommen werden, was zu einer zerstörenden Beschädigung führen kann.The basic turbocharger configuration is that of a fixed turbine housing. In this configuration, the shape and volume of the turbine housing compressor are set at design stage and poured in-situ. Most diesel turbine housings are of the subdivided variety with a radial partition ( 25 ), as in 2 is shown, which separates the two compressors to obtain the pulse energy for the turbine wheel. The length of the partition is typically such that the inner boundary is approximately at the base circle. The closer the tip of the partition wall is to the base circle, the greater the conservation of the pulse energy, but the greater the tendency for the casting in the partition to crack. There are many reasons for this cracking, but the slag that is pushed through the pattern during the casting process is predominant, which means that the integrity of the material near the top of the bulkhead is sub-optimal, and the second reason is the fact that the temperature distribution around the compressors causes the casting to "unwind". The thermal forces that create the "unwinding" of the turbine housing are resisted by the vertical bulkhead, resulting in cracks in the wall. Although a crack causes only minor physical damage, the next step in cracking is that parts of the cast iron bulkhead detach from the casting and be taken up by the turbocharger or engine, which can result in destructive damage.

Das nächste Niveau der Höherentwicklung nach dem festen Turbinengehäuse besteht in einem Wastegate-Turbinengehäuse. Bei dieser Konfiguration wird der Verdichter wie bei der vorstehenden festen Konfiguration am Ort gegossen. In 2 weist das mit einem Wastegate versehene Turbinengehäuse eine Öffnung (54) auf, welche den Turbinengehäuseverdichter (49) Fluid-mäßig mit dem Turbinengehäuseauslass (52) verbindet. Weil die Öffnung auf der Verdichterseite stromaufwärts des Turbinenrads (70) liegt und die andere Seite der Öffnung auf der Auslassseite stromabwärts des Turbinenrads liegt, umgeht der Strom durch den diese Öffnungen verbindenden Kanal das Turbinenrad (70), so dass er nicht zu der dem Turbinenrad zugeführten Leistung beiträgt.The next level of higher development after the fixed turbine housing is a wastegate turbine housing. With this configuration, the compressor is cast in place as in the previous fixed configuration. In 2 For example, the turbine housing provided with a wastegate has an opening ( 54 ), which the turbine housing compressor ( 49 ) Fluid-moderately with the turbine housing outlet ( 52 ) connects. Because the opening on the compressor side upstream of the turbine wheel ( 70 ) and the other side of the opening on the outlet side is located downstream of the turbine wheel, the current through the channel connecting these openings bypasses the turbine wheel (FIG. 70 ) so that it does not contribute to the power supplied to the turbine wheel.

Das Wastegate ist in seiner einfachsten Form ein Ventil (55), das ein Abblasventil oder ein schwenkbares Ventil ähnlich dem Ventil in 2 sein kann. Typischerweise werden diese Ventile durch ein ”einfaches” Stellglied betätigt, das den Verstärkungsdruck oder das Vakuum misst, um eine mit dem Ventil verbundene Membran zu aktivieren, und es arbeitet ohne eine spezifische Kommunikation mit der Motor-ECU. Die Funktion des Wastegate-Ventils besteht in dieser Weise darin, die Spitze von der Volllastverstärkungskurve abzutrennen und dadurch das Verstärkungsniveau für den Motor zu begrenzen. Hierdurch wird im Wesentlichen der effektive Strom zur Turbine verringert, wenn dies erwünscht ist (beispielsweise um ein zu starkes Antreiben der Turbine zu verhindern), während der gesamte Bereich des Turbinengehäusestroms zum Turbinenrad ermöglicht wird, wenn ein voller Strom erwünscht ist. Die Wastegate-Konfiguration hat keine Auswirkungen auf die Eigenschaften der Verstärkungskurve, bis sich das Ventil öffnet. Höher entwickelte Wastegate-Ventile können den barometrischen Druck messen oder eine elektronische Überschreibung oder Steuerung aufweisen, sie haben jedoch auch keine Auswirkung auf die Verstärkungskurve, bis sie betätigen, um das Ventil zu öffnen oder zu schließen.The wastegate is in its simplest form a valve ( 55 ), which is a blow-off valve or a pivotable valve similar to the valve in 2 can be. Typically, these valves are actuated by a "simple" actuator which measures the boost pressure or vacuum to activate a diaphragm connected to the valve and operates without specific communication with the engine ECU. The function of the wastegate valve in this manner is to disconnect the tip from the full load boost curve and thereby limit the boost level for the engine. As a result, the effective current to the turbine is substantially reduced, if desired (for example, excessive overdriving of the turbine) Preventing turbine), while the entire range of the turbine housing flow to the turbine wheel is enabled when a full power is desired. The wastegate configuration has no effect on the characteristics of the boost curve until the valve opens. More sophisticated wastegate valves can measure barometric pressure or have electronic override or control, but they also have no effect on the boost curve until they actuate to open or close the valve.

6A zeigt die Verstärkungskurve (65) für ein Turbinengehäuse mit einer festen Geometrie oder ein Wastegate-Turbinengehäuse, wobei sich das Wastegate-Ventil nicht geöffnet hat. Die X-Achse zeigt den Massenstrom, und die Y-Achse zeigt das Druckverhältnis. 6B zeigt die Verstärkungskurve (67) für ein Wastegate-Turbinengehäuse mit dem gleichen A/R wie in 6A, wobei sich das Wastegate-Ventil geöffnet hat. In 6B ist ersichtlich, dass die untere Form (62) der Verstärkungskurve (67) bis zum Punkt (66), an dem sich das Ventil öffnet, genau gleich der Verstärkungskurve (65) in 6A ist. Nach diesem Punkt ist die Verstärkungskurve flach. Während ein Wastegate verwendet werden kann, um die Verstärkungsniveaus zu begrenzen, sind seine Turbinenleistungs-Steuereigenschaften rudimentär und grob. 6A shows the gain curve ( 65 ) for a turbine housing with a fixed geometry or a wastegate turbine housing, wherein the wastegate valve has not opened. The X-axis shows the mass flow, and the Y-axis shows the pressure ratio. 6B shows the gain curve ( 67 ) for a wastegate turbine housing with the same A / R as in FIG 6A , wherein the wastegate valve has opened. In 6B it can be seen that the lower mold ( 62 ) of the gain curve ( 67 ) to the point ( 66 ), at which the valve opens, exactly equal to the amplification curve ( 65 ) in 6A is. After this point, the gain curve is flat. While a wastegate may be used to limit the boost levels, its turbine power control characteristics are rudimentary and crude.

Ein vorteilhaftes Nebenprodukt des Wastegate-Turbinengehäuses ist die Möglichkeit, das A/R-Verhältnis der Turbinengehäuse zu verringern. Weil die Obergrenze der Verstärkung durch das Wastegate gesteuert wird, kann eine Verringerung des A/R-Verhältnisses bessere transiente Ansprecheigenschaften bereitstellen, während die Obergrenze noch gesteuert wird. Falls der Wastegate-Turbolader allerdings ein ”einfaches” Stellglied aufweist, das nur bei einem Druck- oder Vakuumsignal öffnet, und in der Höhe betätigt wird, wird das kritische Druckverhältnis, bei dem sich das Ventil öffnet, nachteilig beeinflusst. Weil das Diagramm in dem Stellglied den Verstärkungsdruck auf einer Seite und den barometrischen Druck auf der anderen misst, besteht die Tendenz darin, dass das Stellglied später öffnet (weil der barometrische Druck in der Höhe niedriger ist als auf Meeresniveau), was zu einer zu hohen Verstärkung für den Motor führt. Durch Einführen eines Turbinengehäuses mit einem kleineren A/R-Verhältnis, um das Wastegate auszunutzen, verringert diese A/R-Verringerung auch den Strombereich der Turbinenstufe.An advantageous by-product of the wastegate turbine housing is the ability to reduce the A / R ratio of the turbine housings. Because the upper limit of gain is controlled by the wastegate, reducing the A / R ratio can provide better transient response characteristics while still controlling the upper limit. However, if the wastegate turbocharger has a "simple" actuator that opens only at a pressure or vacuum signal and is actuated at altitude, the critical pressure ratio at which the valve opens will be adversely affected. Because the graph in the actuator measures the boost pressure on one side and the barometric pressure on the other, there is a tendency for the actuator to open later (because the barometric pressure is lower in altitude than at sea level), which is too high Reinforcement for the engine leads. By introducing a turbine housing with a smaller A / R ratio to utilize the wastegate, this A / R reduction also reduces the turbine stage's current range.

Motorverstärkungsanforderungen sind die vorherrschenden treibenden Elemente für die Auswahl der Kompressorstufe. Die Auswahl und der Entwurf des Kompressors ist ein Kompromiss zwischen der Verstärkungsdruckanforderung des Motors, dem vom Motor benötigten Massenstrom, dem von der Anwendung geforderten Wirkungsgrad, der vom Motor und von der Anwendung geforderten Kennfeldbreite, der Höhe und dem Tastverhältnis, denen der Motor zu unterziehen ist, den Zylinderdruckgrenzen des Motors usw.Engine boost requirements are the predominant driving elements for selecting the compressor stage. The selection and design of the compressor is a compromise between the engine boost pressure requirement, the mass flow required by the engine, the efficiency demanded by the application, the map width required by the engine and application, the altitude, and the duty cycle to which the engine is subjected is, the cylinder pressure limits of the engine, etc.

Der Grund dafür, dass dies für den Betrieb eines Turboladers wichtig ist, besteht darin, dass das Hinzufügen eines Wastegates zur Turbinenstufe das Anpassen an den Niedergeschwindigkeitsbereich mit einem kleineren Turbinenrad und -gehäuse ermöglicht. Demgemäß bringt das Hinzufügen eines Wastegates die Option einer Verringerung der Trägheit mit sich. Weil eine Verringerung der Trägheit der sich drehenden Anordnung typischerweise zu einer Verringerung teilchenförmiger Materie (PM) führt, sind Wastegates in auf Schnellstraßen betriebenen Fahrzeugen üblich geworden. Das Problem besteht darin, dass die meisten Wastegates in gewisser Hinsicht in ihrem Betrieb binär sind, was nicht gut zur linearen Beziehung zwischen der Motorausgangsleistung und der Motorgeschwindigkeit passt.The reason that this is important to the operation of a turbocharger is that the addition of a wastegate to the turbine stage allows it to adapt to the low speed range with a smaller turbine wheel and casing. Accordingly, the addition of a wastegate entails the option of reducing inertia. Because reducing the inertia of the rotating assembly typically results in a reduction of particulate matter (PM), wastegates have become commonplace in highway-powered vehicles. The problem is that most wastegates are somewhat binary in their operation, which does not fit well with the linear relationship between engine output and engine speed.

Das nächsthöhere Entwicklungsniveau bei der Verstärkungssteuerung von Turboladern ist die VTG (der allgemeine Begriff für veränderliche Turbinengeometrie (”variable turbine geometry”)). Einige dieser Turbolader haben sich drehende Turbinenschaufeln, und einige haben gleitende Abschnitte oder Ringe. Einige Bezeichnungen für diese Vorrichtungen sind veränderliche Turbinengeometrie (VTG), Turbine veränderlicher Geometrie (VGT), Turbine mit veränderlicher Düse (VNT) oder einfach veränderliche Geometrie (VG).The next higher level of development in turbocharger gain control is VTG (the generic term for variable turbine geometry). Some of these turbochargers have rotating turbine blades, and some have sliding sections or rings. Some designations for these devices are variable turbine geometry (VTG), variable geometry turbine (VGT), variable nozzle turbine (VNT) or single variable geometry (VG).

VTG-Turbolader verwenden einstellbare Führungsturbinenschaufeln (3A und 3B), die drehbar mit einem Paar von Schaufelringen und/oder der Düsenwand verbunden sind. Diese Turbinenschaufeln werden eingestellt, um den Abgasstaudruck und die Turboladergeschwindigkeit durch Modulieren des Abgasstroms zum Turbinenrad zu steuern. In 3A befinden sich die Turbinenschaufeln (31) in der minimal offenen Position. In 3B befinden sich die Turbinenschaufeln (31) in der maximal offenen Position. Die Turbinenschaufeln können drehend durch in einen Vereinigungsring, der sich über dem oberen Turbinenschaufelring befinden kann, eingreifende Arme angetrieben werden. Aus Gründen der Klarheit wurden diese Einzelheiten in der Zeichnung fortgelassen. VTG-Turbolader haben eine große Anzahl sehr kostspieliger Legierungskomponenten, die zusammengesetzt und im Turbinengehäuse angeordnet werden müssen, so dass die Führungsturbinenschaufeln in Bezug auf den Abgaszufuhrstromkanal und das Turbinenrad über den Bereich thermischer Betriebsbedingungen, denen sie ausgesetzt sind, geeignet positioniert bleiben. Die Temperatur- und Korrosionsbedingungen erzwingen die Verwendung exotischer Legierungen in allen inneren Komponenten. Diese Materialien sind sehr kostspielig zu beschaffen, zu verarbeiten und zu schweißen (wenn nötig). Weil der VTG-Entwurf die Turboladergeschwindigkeit sehr schnell ändern kann, sind aufwendige Software und Steuerungen notwendig, um unerwünschte Geschwindigkeitsausreißer zu verhindern. Hieraus ergeben sich kostspielige Stellglieder. Wenngleich VTGs verschiedener Typen und Konfigurationen weit verbreitet eingesetzt wurden, um sowohl Turboladerverstärkungsniveaus als auch Turbinenstaudruckniveaus zu steuern, sind die Kosten der Hardware und der Implementation hoch.VTG turbochargers use adjustable guide turbine blades ( 3A and 3B ) rotatably connected to a pair of vane rings and / or the nozzle wall. These turbine blades are adjusted to control the exhaust back pressure and turbocharger speed by modulating the exhaust flow to the turbine wheel. In 3A are the turbine blades ( 31 ) in the minimum open position. In 3B are the turbine blades ( 31 ) in the maximum open position. The turbine blades may be rotationally driven by engaging arms engaging a union ring that may be located above the upper turbine blade ring. For the sake of clarity, these details have been omitted from the drawing. VTG turbochargers have a large number of very expensive alloy components which must be assembled and placed in the turbine housing so that the guide turbine blades remain properly positioned with respect to the exhaust flow channel and turbine wheel over the range of thermal operating conditions to which they are exposed. The temperature and Corrosion conditions force the use of exotic alloys in all internal components. These materials are very expensive to procure, process and weld (if necessary). Because the VTG design can change turbocharger speed very quickly, expensive software and controls are needed to prevent unwanted outliers. This results in costly actuators. While VTGs of various types and configurations have been widely used to control both turbocharger boost levels and turbine surge pressure levels, the cost of hardware and implementation is high.

Die Kosten eines typischen VTG-Turboladers im gleichen Produktionsvolumen betragen 270% bis 300% der Kosten von Turboladern fester Geometrie gleicher Größe. Diese Disparität ist auf eine Anzahl relevanter Faktoren von der Anzahl der Komponenten, der Materialien der Komponenten, der bei der Herstellung und Bearbeitung der Komponenten erforderlichen Genauigkeit bis zur Geschwindigkeit, Genauigkeit und Wiederholbarkeit des Stellglieds zurückzuführen. Das Diagramm in 7 zeigt die Kosten im Vergleich für den Bereich von Turboladern von festen Turboladern zu VTG-Turboladern. Eine Spalte ”A” stellt die Vergleichskosten eines festen Turboladers für eine gegebene Anwendung dar. Eine Spalte ”B” stellt die Kosten eines Wastegate-Turboladers für die gleiche Anwendung dar, und eine Spalte ”C” stellt die Kosten eines herkömmlichen VTG-Turboladers für die gleiche Anwendung dar.The cost of a typical VTG turbocharger in the same production volume is 270% to 300% of the cost of solid geometry turbochargers of the same size. This disparity is due to a number of relevant factors, from the number of components, the materials of the components, the accuracy required in the manufacture and machining of the components, to the speed, accuracy and repeatability of the actuator. The diagram in 7 shows the cost in comparison for the range of turbochargers from solid turbochargers to VTG turbochargers. A column "A" represents the comparison cost of a solid turbocharger for a given application. A column "B" represents the cost of a wastegate turbocharger for the same application, and a column "C" represents the cost of a conventional VTG turbocharger the same application.

Es ist daher ersichtlich, dass sowohl aus technischen Gründen als auch in Hinblick auf Kostentreiber ein Bedarf an einer verhältnismäßig kostengünstigen Turbinenstromsteuervorrichtung besteht, die in Bezug auf die Kosten zwischen Wastegates und existierende VTGs passt.It can therefore be seen that there is a need for a relatively inexpensive turbine flow control device that fits in terms of cost between waste gates and existing VTGs, both for technical reasons and in terms of cost drivers.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION

Die vorliegende Erfindung betrifft einen vereinfachten, kostengünstigen Turbolader mit veränderlicher Geometrie und insbesondere eine Turbinenstromsteuervorrichtung, welche ein unterteiltes Turbinengehäuse mit asymmetrischen Verdichter-A/R in Zusammenhang mit einer Strommodulationsvorrichtung verwendet, um den effektiven Abgasmassenstrom zum Turbinenrad zu ändern, während der Turbinenstufen-Strombereich vergrößert wird. Durch Steuern des Abgasmassenstroms, den das Turbinengehäuse zum Turbinenrad lenkt, mit einem Satz asymmetrisch konfigurierter Verdichterquerschnittsbereiche und Steuern des Stroms durch die beiden Verdichter mit einer verhältnismäßig einfachen Stromsteuervorrichtung kann der Strombereich in einer Weise, in der der mit symmetrisch konfigurierten Verdichterquerschnittsbereichen ohne die Stromsteuervorrichtung verfügbare Bereich überschritten werden kann, sowohl verbreitert als auch gesteuert werden.The present invention relates to a simplified, low cost, variable geometry turbocharger and, more particularly, to a turbine flow control device which utilizes a split turbine housing with asymmetric compressor A / R in conjunction with a power modulating device to change the effective exhaust mass flow to the turbine wheel as the turbine stage current range increases becomes. By controlling the exhaust mass flow that the turbine housing directs to the turbine wheel with a set of asymmetrically configured compressor throat areas and controlling the flow through the two compressors with a relatively simple flow control device, the flow range may be in a range that provides the symmetrically configured compressor throat area without the flow control device can be exceeded, both widened and controlled.

Der Turbolader mit veränderlicher Geometrie ist vereinfacht aber dennoch in der Lage, die Impulsenergie aufrechtzuerhalten. Gemäß einer ersten Ausführungsform ist ein Turbinengehäuse mit einem schwenkbaren Stromsteuerventil, das um einen Punkt in der Nähe des Eingangs in das Turbinengehäuse schwenkt, versehen. Durch Bewegen des Ventils um den Schwenkpunkt wird der Strom durch das Turbinengehäuse am großen Verdichter zunehmend blockiert, wodurch der Strom zum kleinen Verdichter begünstigt wird und von dort aus zum Turbinenrad fortgesetzt wird, wodurch bewirkt wird, dass das Turbinengehäuse durch den effektiven Verlust des größeren Verdichters als ein Turbinengehäuse mit einem kleineren A/R-Verhältnis wirkt. Gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung schwenkt ein drehbares schmetterlingsförmig ausgelegtes Stromsteuerventil innerhalb des Verdichters, das um die Mitte der Ventilplatte schwenkt, und um die Mittellinie, um den Strom von dem großen Verdichter zu dem kleinen Verdichter und weiter zum Turbinenrad zu ändern und dadurch zu bewirken, dass das Turbinengehäuse als ein Turbinengehäuse mit einem kleineren A/R-Verhältnis wirkt.The variable geometry turbocharger is simplified but still able to sustain the momentum energy. According to a first embodiment, a turbine housing is provided with a pivotal flow control valve which pivots about a point near the entrance to the turbine housing. Moving the valve about the pivot point progressively blocks the flow through the turbine housing at the large compressor, thereby encouraging flow to the small compressor and continuing from there to the turbine wheel, thereby causing the turbine housing to effectively lose the larger compressor acts as a turbine housing with a smaller A / R ratio. According to the second embodiment of the invention, a rotatable butterfly shaped flow control valve pivots within the compressor which pivots about the center of the valve plate and about the centerline to change and thereby cause the flow from the large compressor to the small compressor and on to the turbine wheel in that the turbine housing acts as a turbine housing with a smaller A / R ratio.

Von den Erfindern ausgeführte Tests haben festgestellt, dass eine 60/40-Aufteilung der ”A”-Abschnittsflächen mit der Nabenseite bei 60% und der Luftkanalseite bei 40% eine wünschenswerte Massenstromaufteilung bei ganz geöffnetem Beschränkungsventil erzeugte. Das asymmetrische Turbinengehäuse hat einen größeren linken oder nabenseitigen Verdichter (48) und einen kleineren oder luftkanalseitigen Verdichter (49), die axial um eine Trennwand (25) angeordnet sind.Tests conducted by the inventors have found that a 60/40 split of the "A" section surfaces with the hub side at 60% and the air duct side at 40% produced a desirable mass flow split with the restrictor fully open. The asymmetric turbine housing has a larger left or hub side compressor ( 48 ) and a smaller or air channel side compressor ( 49 ) axially around a partition wall ( 25 ) are arranged.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWING

Die vorliegende Erfindung wird in der anliegenden Zeichnung, in der gleiche Bezugszahlen gleiche Teile bezeichnen, beispielhaft und nicht einschränkend erläutert. Es zeigen:The present invention is illustrated by way of example and not limitation in the accompanying drawings in which like reference numerals refer to like parts. Show it:

1 einen Querschnitt eines typischen VTG-Turboladers, 1 a cross section of a typical VTG turbocharger,

2 ein Paar von Querschnitten eines typischen Wastegate-Turboladers, 2 a pair of cross sections of a typical wastegate turbocharger,

die 3A, B ein Paar von Querschnitten eines typischen VTG-Turboladers,the 3A , B is a pair of cross sections of a typical VTG turbocharger,

4 einen Querschnitt eines typischen festen Turbinengehäuses, worin radiale Konstruktionslinien dargestellt sind, 4 a cross section of a typical solid turbine housing, wherein radial construction lines are shown,

5 ein Diagramm einer Querschnittsflächenentwicklung, 5 a diagram of a cross-sectional area development,

die 6A, B die Kompressorkennfelder für einen typischen festen Turbolader und einen Wastegate-Turbolader,the 6A , B the compressor maps for a typical fixed turbocharger and a wastegate turbocharger,

7 ein Diagramm, das die relativen Kosten von Turboladern zeigt, 7 a diagram showing the relative cost of turbochargers

die 8A, B die Querschnitte von zwei Verdichtertypen am Schnitt ”A”,the 8A , B are the cross-sections of two types of compressor at section "A",

9 eine Ansicht eines asymmetrischen Turbinengehäuses an einem Verteiler, 9 a view of an asymmetric turbine housing to a manifold,

die 10A, B zwei Schnittansichten der Beschränkungsvorrichtung an einem umfänglich unterteilten Gehäuse,the 10A , B are two sectional views of the restriction device on a circumferentially divided housing,

die 11A, B zwei Ansichten einer Variation einer Beschränkungsvorrichtung an einem umfänglich unterteilten Gehäuse,the 11A B shows two views of a variation of a restriction device on a circumferentially divided housing,

12 eine Darstellung der Rissbildung in einem Turbinengehäuse, 12 a representation of cracking in a turbine housing,

13 eine Schnittansicht geschlossener Schlitze in einer Turbinengehäuse-Trennwand, 13 a sectional view of closed slots in a turbine housing partition,

14 eine Schnittansicht offener Schlitze in einer Turbinengehäuse-Trennwand, 14 a sectional view of open slots in a turbine housing partition,

die 15A, B zwei Ansichten der dritten Ausführungsform eines radial unterteilten Gehäuses,the 15A , B show two views of the third embodiment of a radially divided housing,

16 ein Diagramm, das einen Massenstrom zeigt, 16 a diagram showing a mass flow

17 die Schleierflächen für eine Probe von Produktionsturbinenraddurchmessern und 17 the veil areas for a sample of production turbine wheel diameters and

18 die Beziehung zwischen der Querströmungsfläche und D3 für verschiedene Turbinenstufen. 18 the relationship between the cross-flow area and D 3 for different turbine stages.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Wie vorstehend erörtert wurde, neigen Mechanismen mit veränderlicher Geometrie dazu, die Kosten des einfachen Turboladers mehr als zu verdoppeln. Die Erfinder haben angestrebt, den Abgasstrom zum Turbinenrad kosteneffizienter modulieren zu können. Daher haben die Erfinder mit Entwürfen experimentiert, die unterteilte Verdichterbereiche aufweisen, kombiniert mit einer Strömungswiderstandsvorrichtung, um sowohl eine kostenwirksame als auch eine technisch wirksame Alternative für das Steuern des erforderlichen breiten Bereichs des Abgasstroms zur Turbine bereitzustellen. Zusätzlich zu den vorstehenden Vorteilen haben die Erfinder angestrebt, einen an Niederstrombereiche angepassten Turbolader bereitzustellen, der ein optimiertes transientes Ansprechen des Turboladers (und damit des Motors) für niedrige Ströme bereitstellen würde, während er noch in der Lage wäre, bei anderen als Niederstrombedingungen in demselben kostenwirksamen Turbolader die vom Motor geforderten hohen Ströme zu liefern. Dieses Ziel hält die Gasgeschwindigkeiten im idealen Bereich, worin die Stufenwirksamkeiten maximiert sind.As discussed above, variable geometry mechanisms tend to more than double the cost of the simple turbocharger. The inventors sought to be able to more modulate the exhaust gas flow to the turbine wheel more cost-effectively. Therefore, the inventors have experimented with designs having subdivided compressor regions combined with a drag device to provide both a cost effective and technically effective alternative for controlling the required wide range of exhaust gas flow to the turbine. In addition to the above advantages, the inventors sought to provide a low flow range adapted turbocharger that would provide optimized transient response of the turbocharger (and thus the engine) for low currents while still capable of operating at other than low flow conditions cost-effective turbocharger to deliver the high currents required by the engine. This goal keeps the gas velocities in the ideal range where the step efficiencies are maximized.

Wenn ein Turbolader an die maximale Stromanforderung eines Motors angepasst ist, werden die Stromanforderungen über den gesamten Motorbetriebsbereich erfüllt. Das Problem besteht darin, dass das Anpassen des Turboladers an die maximale Stromanforderung bedeutet, dass die Größe des Turbinengehäuseverdichters (und damit des Stroms) für Niederstrombereiche des Motors viel zu hoch ist. Die transienten Ansprecheigenschaften des Turboladers sind träge, weil der gesamte Verdichter gefüllt werden muss, um dem Turbinenrad einen Strom zuzuführen. Weil das Verringern des A/R-Verhältnisses eines Turboladerturbinengehäuses zum Erfüllen der Niederstromanforderung bedeuten würde, dass der mit typischen Geschwindigkeitsbeschränkungen arbeitende Turbolader nicht in der Lage ist, für die Hochstromanforderung des oberen Endes der Motorbetriebsbereiche genügend Strom bereitzustellen, haben die Erfinder erkannt, dass es erforderlich ist, einen neuartigen Turbolader mit veränderlicher Geometrie bereitzustellen. Ferner verwenden bei heutigen EGR-(Abgasrückführung – ”Exhaust Gas Recirculation”)-Anforderungen OEM-Hersteller große EGR-Beträge bei Teillast (beispielsweise 40% Last) und keine EGR bei hoher Geschwindigkeit, sie möchten jedoch von einem Marktstandpunkt noch die bestmögliche Leistung bei Volllast liefern. Eine hohe EGR bei einer niedrigen Geschwindigkeit oder bei Teillast erfordert einen niedrigen Massenstrom. Die bestmögliche Leistung am Nennpunkt ohne EGR erfordert einen hohen Massenstrom, so dass ersichtlich ist, dass der Massenstrombereich der Turbine in der Lage sein muss, die Stromanforderungen an diesen beiden Extremen zu erfüllen.When a turbocharger is adapted to the maximum power requirement of an engine, the power requirements are met over the entire engine operating range. The problem is that matching the turbocharger to the maximum power requirement means that the size of the turbine housing compressor (and thus the current) is too high for low-current areas of the engine. The transient response characteristics of the turbocharger are sluggish because the entire compressor must be filled to supply power to the turbine wheel. Because reducing the A / R ratio of a turbocharger turbine housing to meet the low-current requirement would mean that the typical speed-limiting turbocharger is unable to handle the high-end high end demand To provide sufficient power to the engine operating areas, the inventors have realized that it is necessary to provide a novel variable geometry turbocharger. Further, in today's EGR (Exhaust Gas Recirculation) requirements, OEM manufacturers use large amounts of EGR at part load (eg, 40% load) and no EGR at high speed, but still want the best possible performance from a market standpoint Deliver full load. High EGR at low speed or at partial load requires a low mass flow. The best possible performance at the nominal point without EGR requires a high mass flow, so it can be seen that the mass flow range of the turbine must be able to meet the current requirements at these two extremes.

Die Formen und Abmessungen des Turbinengehäuseverdichters sind durch die Fläche des Abschnitts ”A” definiert, und alle Merkmale und Abmessungen stromabwärts des Abschnitts ”A” werden durch die Merkmale und Abmessungen in Abschnitt ”A” gesteuert. Dieses System wird für die Konsistenz des Entwurfs in Turboladern verwendet, die von einem Turboladerhersteller entworfen und hergestellt werden.The shapes and dimensions of the turbine housing compressor are defined by the area of section "A", and all features and dimensions downstream of section "A" are controlled by the features and dimensions in section "A". This system is used for the consistency of the design in turbochargers designed and manufactured by a turbocharger manufacturer.

Gemäß der vorliegenden Erfindung stellen die Erfinder einen neuartigen Turbinenentwurf bereit, der in der Lage ist, einen breiteren Turbinenstrombereich zu erzeugen, als er mit Verdichtern gleicher Fläche verfügbar wäre.In accordance with the present invention, the inventors provide a novel turbine design that is capable of producing a wider turbine flow area than would be available with equal area compressors.

Durch Steuern des Massenstroms durch das Turbinengehäuse haben die Erfinder angestrebt, den Massenstrom des durch das Turbinengehäuse zum Turbinenrad strömenden Gases zu steuern. Wenn der Motor unter einer Bedingung einer niedrigen Geschwindigkeit und einer niedrigen Last arbeitet, ist das Verstärkungsniveau, das erforderlich ist, um das erforderliche Verbrennungsgas (Luft) zuzuführen, verhältnismäßig niedrig. Wenn sich der Motor unter einer Bedingung einer hohen Geschwindigkeit und einer hohen Last befindet, ist das Verstärkungsniveau, das erforderlich ist, um den Motor unter diesen Lastbedingungen zu versorgen, hoch. Wenn der Motor von Niederlastbedingungen zu Hochlastbedingungen übergeht, muss der Turbolader ein zunehmendes Luftvolumen bei einem erhöhten Druckverhältnis zuführen. Weil die Kompressorstufe durch die Turbinenstufe angetrieben wird, muss sich der Abgasmassenstrom, der erforderlich ist, um die Anforderungen des Motors (und damit des Kompressors) zu erfüllen, ändern. Das heißt, dass unter der Bedingung einer niedrigen Last und einer niedrigen Geschwindigkeit des Motors die Motorabgasausgabe in Bezug auf den Massenstrom niedrig ist. Unter der Bedingung einer hohen Last und einer hohen Motorgeschwindigkeit ist die Motorausgabe in Bezug auf den Massenstrom hoch. In der Übergangsstufe muss sich der Abgasmassenstrom von niedrig zu hoch ändern.By controlling the mass flow through the turbine housing, the inventors sought to control the mass flow of gas flowing through the turbine housing to the turbine wheel. When the engine operates under a low-speed, low-load condition, the boosting level required to supply the required combustion gas (air) is relatively low. When the engine is under a high-speed, high-load condition, the boost level required to power the engine under these load conditions is high. As the engine transitions from low load conditions to high load conditions, the turbocharger must supply an increasing volume of air at an increased pressure ratio. Because the compressor stage is driven by the turbine stage, the exhaust mass flow required to meet the requirements of the engine (and hence the compressor) must change. That is, under the condition of a low load and a low speed of the engine, the engine exhaust output with respect to the mass flow is low. Under the condition of high load and high engine speed, the engine output is high in terms of mass flow. In the transition stage, the exhaust gas mass flow must change from low to high.

Das Problem besteht darin, dass die Turbinenstufe an beide der vorstehend beschriebenen grundlegenden Motorbedingungen, zusätzlich zu den EGR-Anforderungen, angepasst werden muss, um zu ermöglichen, dass der Turbolader das erforderliche Strom- und Druckverhältnis bei all diesen Bedingungen liefert. Um den Turbolader zu zwingen, die Geschwindigkeit schnell zu ändern, würden Fachleute einen Turbolader mit einem Turbinengehäuse mit einem kleinen A/R-Verhältnis wählen. Um das erforderliche Strom- und Druckverhältnis unter der Bedingung einer hohen Last und einer hohen Geschwindigkeit bereitzustellen, würde ein Turbolader mit einem Turbinengehäuse mit einem größeren A/R-Verhältnis gewählt werden. Das erstgenannte Turbinengehäuse mit einem kleinen A/R-Verhältnis stellt gute transiente Ansprecheigenschaften bereit, führt jedoch zu einem unzureichenden Massenstrom zur Turbinenstufe, um die Anforderung eines mit einer hohen Geschwindigkeit und einer hohen Last arbeitenden Kompressors zu erfüllen. Das letztgenannte Turbinengehäuse mit einem hohen A/R-Verhältnis erfüllt die Anforderung bezüglich des Massenstroms zur Turbinenstufe für die Anforderung einer Verstärkung bei einer hohen Geschwindigkeit und einer hohen Last, ist jedoch nicht in der Lage, das Turbinenrad schnell genug zu beschleunigen, um ein akzeptables transientes Ansprechen zu erzeugen.The problem is that the turbine stage must be adapted to both of the basic engine conditions described above, in addition to the EGR requirements, to allow the turbocharger to provide the required flow and pressure ratio under all of these conditions. To force the turbocharger to change speed quickly, experts would choose a turbocharger with a turbine housing with a small A / R ratio. To provide the required flow and pressure ratio under high load and high speed conditions, a turbocharger with a turbine housing having a larger A / R ratio would be selected. The former turbine housing with a small A / R ratio provides good transient response characteristics, but results in insufficient mass flow to the turbine stage to meet the requirement of a high speed, high load compressor. The latter high A / R ratio turbine housing meets the mass flow requirement for the turbine stage for the requirement of high speed, high load boost, but is unable to accelerate the turbine wheel fast enough to be acceptable generate transient response.

Offensichtlich wäre es schön, ein System mit zwei Turboladern zu haben, nämlich einem größeren und einem kleineren, und zwischen den beiden umschalten zu können. Ein solches System wäre allerdings kostspielig, es würde eine große ”Wärmesenke” darstellen, viel Platz im Motorraum einnehmen und die Masse des Fahrzeugs vergrößern.Obviously, it would be nice to have a system with two turbochargers, one larger and one smaller, and able to switch between the two. However, such a system would be costly, it would create a large "heat sink", occupy much space in the engine compartment and increase the mass of the vehicle.

Eine geeignet angepasste Turbinenstufe mit einem kleinen A/R-Verhältnis, die allein wirkt, stellt ein akzeptables transientes Ansprechen bereit, wenn auch auf Kosten eines höheren Staudrucks als bei einer Turbinenstufe, die an die Bedingung einer hohen Last und einer hohen Geschwindigkeit angepasst ist. Bei einem Nicht-EGR-Motor ist das Vorhandensein eines hohen Staudrucks nachteilig für die Druckdifferenz über den Motor und damit für den Wirkungsgrad des Motors. Bei einer Hochdruckschleifen-EGR-Motorkonfiguration (gegenüber einer Niederdruckschleifen-EGR-Motorkonfiguration) ist der hohe Staudruck im Abgassystem Teil der Lösung, um das Abgas von der Abgasseite des Motors zur Einlassseite des Motors, an der eine Druckverstärkung auftritt, zu treiben. Ein großes Turbinengehäuse-A/R-Verhältnis für einen gegebenen Satz von Motorparametern entwickelt einen niedrigeren Abgasstaudruck als dies bei einem Turbinengehäuse mit einem kleineren A/R-Verhältnis unter dem gleichen Satz von Motorparametern der Fall wäre. Daher ermöglicht die Fähigkeit, das effektive A/R-Verhältnis des Turbinengehäuses zu ändern, dass ein einziger Turbolader sowohl die Strom- als auch die Staudruckanforderungen einer Bedingung einer niedrigen Geschwindigkeit und einer niedrigen Last und einer Bedingung einer hohen Geschwindigkeit und einer hohen Last erfüllt.A suitably adjusted turbine stage with a small A / R ratio acting alone provides an acceptable transient response, albeit at the cost of a higher back pressure than a turbine stage adapted to the high load and high speed condition. In a non-EGR engine, the presence of a high back pressure is detrimental to the pressure differential across the engine and hence to the efficiency of the engine. In a high pressure loop EGR engine configuration (versus a low pressure EGR engine configuration), the high back pressure in the exhaust system is part of the solution to remove the exhaust gas from the exhaust side of the engine to the intake side of the engine at one Pressure amplification occurs to drive. A large turbine case A / R ratio for a given set of engine parameters develops a lower exhaust back pressure than would be the case with a turbine case having a smaller A / R ratio under the same set of engine parameters. Therefore, the ability to change the effective A / R ratio of the turbine housing allows a single turbocharger to meet both the current and dynamic pressure requirements of a low speed and low load condition and a high speed, high load condition.

Durch Steuern des Abgasmassenstroms, den das Turbinengehäuse zum Turbinenrad lenkt, mit einem Satz asymmetrisch ausgelegter Verdichterquerschnittsbereiche und durch Steuern des Stroms durch die zwei Verdichter mit einer verhältnismäßig einfachen Stromsteuervorrichtung kann der Strombereich in einer Weise sowohl verbreitert als auch gesteuert werden, dass der mit symmetrisch ausgelegten Verdichterquerschnittsbereichen ohne die Flusssteuervorrichtung verfügbare Bereich überschritten wird.By controlling the exhaust mass flow that the turbine housing directs to the turbine wheel with a set of asymmetrically designed compressor cross-sectional areas and controlling the flow through the two compressors with a relatively simple power control device, the current range can be both widened and controlled in a manner that is symmetrically designed Compressor cross-section areas without the flow control device available range is exceeded.

Nach dem anfänglichen Experimentieren mit einem symmetrisch unterteilten Verdichterturbinengehäuse haben die Erfinder als nächstes mit asymmetrisch unterteilten Turbinengehäusen experimentiert und festgestellt, dass durch Ersetzen von einem der Verdichter durch einen anderen Verdichter mit einem kleineren A/R-Verhältnis der Strombereich abfällt und der maximale Strombereich durch diesen Verdichter auch abfällt. Ähnlich würde der maximale Strombereich dieses Verdichters durch Ersetzen eines Verdichters durch einen anderen Verdichter mit einem größeren A/R-Verhältnis ansteigen. Durch Bilden einer Kombination aus einem größeren und einem kleineren Verdichter und Steuern des Grads der Blockage des größeren Verdichters überschreitet der Strombereich des erfindungsgemäßen Turbinengehäuses jenen des ursprünglichen Prototyps des Turbinengehäuses mit einem symmetrisch unterteilten Verdichter. In 16 repräsentieren die Balken (22) mit den horizontalen Schraffuren den Massenstrom eines Turbinengehäuses mit Verdichtern gleicher Fläche (50-50) und die Balken (23) mit den vertikalen Schraffuren den Massenstrom eines Turbinengehäuses mit Verdichtern asymmetrischer Flächen (60-40). Wenngleich die Massenströme bei ganz geöffnetem Beschränkungsventil gleich sind, ist der Massenstrom der asymmetrischen A/R-Konfiguration in der ganz geschlossenen Position des Beschränkungsventils (d. h. der Position, in der der Strom in den größeren Verdichter effektiv blockiert ist) kleiner als der Massenstrom der entsprechenden A/R-Konfiguration. Die Summe der Flächen in Abschnitt ”A” liegt bei beiden Konfigurationen innerhalb von 0% bis 3%, während die Änderung des Massenstroms im Bereich von 10% bis 13% liegt.After initially experimenting with a symmetrically sectioned compressor turbine housing, the inventors next experimented with asymmetrically divided turbine housings and found that by replacing one of the compressors with another compressor having a smaller A / R ratio, the current range falls and the maximum current range therethrough Compressor also drops. Similarly, the maximum current range of this compressor would increase by replacing one compressor with another compressor having a larger A / R ratio. By forming a combination of a larger and a smaller compressor and controlling the degree of blockage of the larger compressor, the flow range of the turbine housing according to the invention exceeds that of the original prototype turbine housing with a symmetrically divided compressor. In 16 represent the bars ( 22 ) with the horizontal hatching the mass flow of a turbine housing with compressors of the same area (50-50) and the bars ( 23 ) with the vertical hatches the mass flow of a turbine housing with compressors asymmetric surfaces (60-40). Although the mass flows are the same when the restriction valve is fully open, the mass flow of the asymmetric A / R configuration in the fully closed position of the restriction valve (ie, the position where the flow into the larger compressor is effectively blocked) is smaller than the mass flow of the corresponding one A / R configuration. The sum of areas in section "A" is within 0% to 3% for both configurations, while the change in mass flow is in the range of 10% to 13%.

8A zeigt eine typische symmetrische Turbinengehäuseverdichterkonfiguration, bei der sich die Zentroiden (160, 161) der beiden Verdichter im gleichen Radius RA von der Mittellinie befinden. Weil das Turbinengehäuse symmetrisch ist, liegt das effektive Zentroid (163) beider Verdichter in der Trennwand zwischen den Verdichtern. 8B zeigt ein Beispiel, bei dem der linke Verdichter eine A/R-Größe hat, die jene des symmetrischen Turbinengehäuses aus 8A übersteigt, und bei dem der rechte Verdichter eine geringere A/R-Größe in der Fläche hat, nämlich um 2 A/R-Größen kleiner ist als beim linken Verdichter. In diesem Fall liegt das Zentroid des rechten Verdichters bei einem Radius RC von der Mittellinie und axial dichter an der Mittellinie des Turbinengehäuses. Das Zentroid des linken Verdichters liegt bei einem Radius RB von der Mittellinie und axial weiter weg von der Mittellinie des Turbinengehäuses. Das effektive Zentroid (164) beider Verdichter in dem Turbinengehäuse ist nun um einen Radius RD nach links von der Mittellinie der Trennwand versetzt. 8A shows a typical symmetrical turbine housing compressor configuration in which the centroids ( 160 . 161 ) of the two compressors are in the same radius R A from the center line. Because the turbine housing is symmetrical, the effective centroid ( 163 ) of both compressors in the partition wall between the compressors. 8B FIG. 14 shows an example in which the left compressor has an A / R size, that of the symmetrical turbine housing 8A exceeds, and in which the right-hand compressor has a smaller A / R size in the area, namely by 2 A / R sizes is smaller than the left compressor. In this case, the centroid of the right compressor is at a radius R C from the centerline and axially closer to the centerline of the turbine housing. The centroid of the left compressor is at a radius R B from the centerline and axially farther from the centerline of the turbine housing. The effective centroid ( 164 ) of both compressors in the turbine housing is now offset by a radius R D to the left of the center line of the partition wall.

Um ein optimales asymmetrisches Turbinengehäuse herzustellen, haben die Erfinder mehrere Optionen von Verdichtergrößen von einem Verdichter-A/R-Verhältnis nach oben oder einem Verdichter nach unten von Verdichtern gleicher Größe oder ausgehend von Verdichtern gleicher Größe, wobei die Nabenseite um ein Verdichter-A/R-Verhältnis erhöht und die Luftkanalseite um ein Verdichter-A/R-Verhältnis verringert wurde, betrachtet. Von den Erfindern ausgeführte Tests haben festgestellt, dass die letztgenannte Lösung, die eine 60/40-Teilung von ”A”-Abschnittsflächen mit der Nabenseite bei 60% und der Luftkanalseite bei 40% war, das gewünschte Massenstromverhältnis bei ganz geöffnetem Beschränkungsventil erzeugte.In order to produce an optimum asymmetric turbine casing, the inventors have several options of compressor sizes from a compressor A / R ratio up or a compressor down from compressors of the same size or from compressors of the same size, the hub side being one compressor-A / R ratio increased and the air duct side was reduced by a compressor A / R ratio considered. Tests conducted by the inventors found that the latter solution, which was a 60/40 split of "A" sectional areas with the hub side at 60% and the air duct side at 40%, produced the desired mass flow ratio with the restrictor fully open.

Bei allen unterteilten Turbinengehäusen existiert ein ”Querströmungsschleier” zwischen der Spitze der Trennwand, am minimalen Durchmesser, und den Spitzen des Turbinenrads. Um die Turbinenradanregung zu minimieren, die durch die Wirkung der rotierenden Turbinenradschaufeln hervorgerufen wird, welche die statische Zunge (26) in 4 am Anfang der Trennwand passieren, erstreckt sich die Tiefe der Trennwand als Faustregel typischerweise nicht näher zu den Spitzen der Turbinenradschaufeln als ein Verhältnis von 120% bis 150% des Turbinenradspitzendurchmessers D3. Dieses Verhältnis Dbc/D3 wird gewöhnlich durch firmeninterne Entwurfsregeln und technische Ziele bestimmt. Der Durchmesser Dbc ist als der Basiskreis bekannt. Weil die Spitzen der Turbinengehäusetrennwand leicht reißen, wenn die Schlacke des geschmolzenen Gusseisens in die Spitze gedrängt wird, ist der innerste oder minimale Durchmesser der Trennwand typischerweise nicht kleiner als 120% bis 150% des Turbinenradspitzendurchmessers. Dieser ”Schleier” zwischen der Trennwand und dem Turbinenrad ermöglicht Querströmungen von Abgas zwischen den beiden Verdichtern sowie ein Übersprechen zwischen den Impulsen im Abgasstrom, wobei das letztgenannte überhaupt der Grund dafür ist, dass die Trennwand bereitgestellt wird.In all subdivided turbine housings, there exists a "cross-flow veil" between the tip of the bulkhead, at the minimum diameter, and the tips of the turbine wheel. In order to minimize the turbine wheel excitation caused by the action of the rotating turbine blades which cause the static tongue ( 26 ) in 4 As a rule of thumb, the depth of the bulkhead typically does not extend closer to the tips of the turbine blades than a ratio of 120% to 150% of the turbine tip diameter D 3 . This ratio D bc / D 3 is usually determined by in-house design rules and technical objectives. The diameter D bc is known as the base circle. Because the tips of the turbine casing divider tend to crack when the molten cast iron slag is forced into the tip, the innermost or minimum diameter of the divider wall is typically not less than 120% to 150% of the turbine tip diameter. This "veil" between the partition and the turbine wheel allows crossflows of exhaust gas between the two compressors as well as crosstalk between the pulses in the exhaust stream, the latter being the reason why the partition is provided.

Für eine Turbinenstufe mit einem Basiskreis, dessen Durchmesser 120% des Turbinenraddurchmessers ist, existiert ein ”Querströmungsschleier” mit einer Fläche, die 70% bis 105% der Fläche beider Verdichter in einer symmetrischen Konfiguration beträgt, in Abschnitt ”A” für eine Turbinengehäusefamilie von 5 A/R. Für eine Turbinenstufe mit einem Basiskreis, dessen Durchmesser 150% des Turbinenraddurchmessers ist, hat der ”Querströmungsschleier” eine Fläche, die 199% bis 299% der Fläche beider Verdichter in einer symmetrischen Konfiguration beträgt, im Abschnitt ”A” für eine Turbinengehäusefamilie von 5 A/R. Aus dieser Analyse ist ersichtlich, dass die Schleierfläche eine sehr große Querschnittsfläche für eine Querströmung von einem Verdichter zum anderen bereitstellen kann.For a turbine stage with a base circle whose diameter is 120% of the turbine wheel diameter, there exists a "crossflow veil" with an area that is 70% to 105% of the area of both compressors in a symmetric configuration, in section "A" for a turbine housing family of FIG A / R. For a turbine stage with a base circle whose diameter is 150% of the turbine wheel diameter, the "crossflow veil" has an area that is 199% to 299% of the area of both compressors in a symmetric configuration, in section "A" for a turbine housing family of 5A / R. From this analysis, it can be seen that the veil surface can provide a very large cross-sectional area for cross-flow from one compressor to another.

Weil die Schleierfläche eine Funktion sowohl des Turbinenraddurchmessers D3 als auch der minimalen Position der Trennwand Dbc ist, variiert die Schleierfläche für verschiedene Werte von D3. 17 zeigt die Schleierflächen für eine Probe von Produktionsturbinenraddurchmessern von 64 mm bis 96 mm. Die Schleierflächen (133) sind durch eine obere Begrenzungslinie (131) und eine untere Begrenzungslinie (132) eingeschlossen oder durch sie begrenzt. Erwartungsgemäß nimmt der Bereich der Schleierflächen zu, wenn D3 zunimmt. In 17 sind die Turbinenraddurchmesser D3 als (123) dargestellt, und eine Linie (124) zeigt den Trend der Turbinenraddurchmesser D3 für die analysierten Turbos. Dieses Diagramm enthält auch Verhältnisse von Dbc/D3, die von 1,25 bis 1,35 reichen.Because the haze area is a function of both the turbine wheel diameter D 3 and the minimum position of the bulkhead D bc , the haze area varies for different values of D 3 . 17 shows the fog areas for a sample of production turbine wheel diameters of 64 mm to 96 mm. The veil surfaces ( 133 ) are separated by an upper boundary line ( 131 ) and a lower boundary line ( 132 ) included or limited by them. As expected, the area of the haze area increases as D 3 increases. In 17 are the turbine wheel diameter D 3 as ( 123 ), and a line ( 124 ) shows the trend of the turbine wheel diameter D 3 for the analyzed turbos. This diagram also contains ratios of D bc / D 3 ranging from 1.25 to 1.35.

Die Erfinder haben durch Testen mit einem 64-mm-Turbinenrad festgestellt, dass für eine asymmetrisch ausgelegte 60/40-Verdichterkombination mit einem Beschränkungsventil die optimale Querströmungsfläche, die Öffnungen in der Trennwand zuzüglich der Fläche des ”Grundkreisschleiers” einschließt (durch die Differenz zwischen der Fläche unter Dbc und der Fläche unter D3 bestimmt) eine Fläche mit einem Verhältnis von 289,6% einer einzelnen symmetrischen Verdichterquerschnittsfläche in Abschnitt ”A” (d. h. die Hälfte der Fläche in Abschnitt ”A”) war. Dies ist mit der typischen Querströmungsfläche des Turbinengehäuses gleicher Größe ohne Schlitze oder Öffnungen mit dem gleichen Verhältnis von Dbc/D3 zu vergleichen, die eine Querströmungsfläche von nur 182,6% der Hälfte der Fläche in Abschnitt ”A” hat.The inventors have found, by testing with a 64 mm turbine wheel, that for an asymmetrically designed 60/40 compressor combination with a restriction valve, the optimal cross flow area includes the openings in the dividing wall plus the area of the "basement curtain" (by the difference between the area under D bc and the area under D 3 determines) a surface with a ratio of 289.6% of a single symmetrical compressor cross-sectional area in the section "a" (ie, the half of the area in section "a") was. This is to be compared with the typical cross-flow area of the same sized turbine housing without slots or openings with the same ratio of D bc / D 3 , which has a cross flow area of only 182.6% of the area half in section "A".

Wie im Fall der Beziehung zwischen den Schleierflächen und D3 und Dbc wird die gesamte Querströmungsfläche (122) nicht nur durch D3 und Dbc, sondern auch durch die Variation der Fläche eines einzelnen Verdichters in Abschnitt ”A” beeinflusst. Die Querströmungsflächen (122) sind durch eine obere Begrenzungslinie (126) und eine untere Begrenzungslinie (127) begrenzt. Das Diagramm in 18 zeigt die Beziehung zwischen der Querströmungsfläche und D3 (123) für verschiedene von den Erfindern analysierte Turbinenstufen.As in the case of the relationship between the haze surfaces and D 3 and D bc , the total cross-flow area (FIG. 122 ) is influenced not only by D 3 and D bc but also by the variation of the area of a single compressor in section "A". The cross-flow surfaces ( 122 ) are separated by an upper boundary line ( 126 ) and a lower boundary line ( 127 ) limited. The diagram in 18 shows the relationship between the cross-flow area and D 3 ( 123 ) for various turbine stages analyzed by the inventors.

Zum Auswählen einer Querströmungsfläche ist der Wert von D3, der Durchmesser des Turbinenrads in Zoll, zu bestimmen. Das Beispiel ist jenes eines 76 mm (2,992'') messenden Turbinenrads, das als eine horizontale Linie (128) dargestellt ist. Von dem Turbinenraddurchmesser schneidet die vertikale Linie (129), welche den Turbinenraddurchmesser (123) schneidet, die untere Begrenzungslinie (127) und die obere Begrenzungslinie (128). Die Querströmungsfläche ist als das vertikale Segment (130) der vertikalen Linie (129) zwischen der unteren und der oberen Begrenzungslinie (127 und 126) dargestellt.To select a cross flow area, determine the value of D 3 , the diameter of the turbine wheel in inches. The example is that of a 76 mm (2,992 '') measuring turbine wheel, which is considered a horizontal line ( 128 ) is shown. From the turbine wheel diameter, the vertical line intersects ( 129 ), which determines the turbine wheel diameter ( 123 ), the lower boundary line ( 127 ) and the upper boundary line ( 128 ). The cross flow area is considered the vertical segment ( 130 ) of the vertical line ( 129 ) between the lower and the upper boundary line ( 127 and 126 ).

Die Formel, welche die Datenpunkte erzeugt, die in den in den 17 und 18 dargestellten Diagrammen aufgetragen sind, könnte die folgende sein:

Figure 00180001
The formula that generates the data points that are in the in the 17 and 18 plotted diagrams could be the following:
Figure 00180001

Wie in 9 dargestellt ist, wird in der Niederstrombedingung ein schwenkbares Ventilelement (72) betätigt, um eine Strombeschränkung zum größeren Verdichter (48) auf der Seite der Nabe oder des Lagergehäuses zu erzeugen, welche den Strom vom Verteiler durch den kleineren Verdichter (49) auf der Seite des Luftkanals oder des Austrittskanals zum Turbinenrad (70) drängt. As in 9 is shown in the low-current condition, a pivotable valve element ( 72 ) to limit the current to the larger compressor ( 48 ) on the side of the hub or the bearing housing, which the flow from the distributor through the smaller compressor ( 49 ) on the side of the air duct or the outlet channel to the turbine wheel ( 70 ) urges.

Das asymmetrische Turbinengehäuse hat einen größeren linken oder nabenseitigen Verdichter (48) und einen kleineren rechten oder luftkanalseitigen Verdichter (49), die axial um eine Trennwand (25) angeordnet sind. Ein Strombeschränker, in diesem Fall ein schwenkbares Ventilelement (72), ist in den Verbindungsflächen des Fußes (37) des Mittelabschnitts des Verteilers und des Turbinengehäusefußes (51) festgehalten. Wenngleich die Erfinder diese Konfiguration aus Kostengründen und aus technischen Gründen gewählt haben, könnte sich der Beschränker auch in dem nabenseitigen Abgasverteilerdurchgang (34) befinden.The asymmetric turbine housing has a larger left or hub side compressor ( 48 ) and a smaller right or air channel side compressor ( 49 ) axially around a partition wall ( 25 ) are arranged. A current limiter, in this case a swiveling valve element ( 72 ), is in the connecting surfaces of the foot ( 37 ) of the central portion of the distributor and the turbine housing foot ( 51 ). Although the inventors have chosen this configuration for cost reasons and for technical reasons, the restrictor could also be used in the hub exhaust manifold ( 34 ) are located.

Wie in 10B dargestellt ist, befindet sich unter der Hochstrombedingung das schwenkbare Ventilelement (72) in der Mittelposition, worin weder der größere Verdichter (48) auf der Seite der Nabe noch der kleinere Verdichter (49) auf der Seite des Luftkanals bevorzugt ist, um den maximalen Strom zum Turbinenrad zu ermöglichen. Unter dieser Hochstrombedingung ist das schwenkbare Ventilelement (72) der Strombegrenzervorrichtung mit der Trennwand (25) des Turbinengehäuses stromabwärts des Turbinenfußes (51) ausgerichtet. In der Position minimalen Stroms (durch die unterbrochene Linie in 10B dargestellt) ist das schwenkbare Ventilelement (72), vorzugsweise durch eine auf den Stellarm (73) ausgeübte Kraft, um die Achse (74, 78) der Vorrichtung zur geschlossenen Position hin gedreht, so dass es den Abgasstrom zum großen Verdichter (48) beschränkt und bewirkt, dass der Abgasstrom durch den kleinen Verdichter (49) strömt. Der Strombegrenzer kann zu einer beliebigen Position zwischen der ganz geöffneten und der ganz geschlossenen Position moduliert werden.As in 10B is shown, is located under the high current condition, the pivoting valve element ( 72 ) in the middle position, wherein neither the larger compressor ( 48 ) on the side of the hub even the smaller compressor ( 49 ) on the side of the air duct is preferred to allow the maximum flow to the turbine wheel. Under this high-current condition, the pivotable valve element ( 72 ) of the current-limiting device with the partition wall ( 25 ) of the turbine housing downstream of the turbine base ( 51 ). In the position of minimum current (indicated by the broken line in 10B shown) is the pivotable valve element ( 72 ), preferably by a on the actuator arm ( 73 ) applied force to the axis ( 74 . 78 ) of the device to the closed position, so that it is the exhaust gas flow to the large compressor ( 48 ) and causes the exhaust gas flow through the small compressor ( 49 ) flows. The current limiter can be modulated to any position between the fully open and fully closed positions.

Eine Schnittansicht dieser Version der Strombegrenzervorrichtung ist in 10A dargestellt. In dieser Ansicht ist ersichtlich, dass die Strombegrenzerplatte gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mit zwei zylindrischen Lagerflächen zum Schwenken und einem Stellarm (73) zur Positionssteuerung hergestellt ist. Eine Seite des in der Verbindung des Turbinengehäusefußes (51) und des Abgasverteilerfußes (37) gebildeten Hohlraums, worin eine Lagerfläche aufgenommen ist, ist eine Blindbohrung (77), während die andere (75) eine offene Bohrung ist. Auf der Seite der offenen Bohrung bietet ein Kolbenring (76) nicht nur eine axiale Ausrichtung für die Strombegrenzungsvorrichtung, sondern auch eine Gasdichtung. Die Anordnung des Stellarms (73) kann optimiert werden, um architektonische Randbedingungen zu erfüllen.A sectional view of this version of the current limiter device is shown in FIG 10A shown. In this view, it can be seen that the current limiter plate according to the preferred embodiment of the invention with two cylindrical bearing surfaces for pivoting and an actuator arm ( 73 ) is made for position control. One side of the in the connection of the turbine housing foot ( 51 ) and the exhaust manifold foot ( 37 ), wherein a bearing surface is received, is a blind bore ( 77 ), while the other ( 75 ) is an open hole. On the side of the open bore provides a piston ring ( 76 ) Not only an axial orientation for the current limiting device, but also a gas seal. The arrangement of the actuator arm ( 73 ) can be optimized to meet architectural constraints.

Die Erfinder haben festgestellt, dass das Verhältnis zwischen dem Verstärkungsdruck und dem Staudruck sowie der Staudruck allein als Funktion der Motorgeschwindigkeit und der Motorlast, sowohl auf dem Meeresniveau als auch in der Höhe zunahmen, wodurch die Strombegrenzervorrichtung in dem Abgassystem zu einem idealen Steuerparameter wurde. Wenn der schwenkbare Strombegrenzer zur geschlossenen Position hin gedreht wird, wirkt das Turbinengehäuse als ob es ein Turbinengehäuse mit einem kleineren A/R-Verhältnis wäre als in einem Fall, in dem sich der Strombegrenzer in der offenen Position befindet. Dies bewirkt, dass der Abgasstaudruck ansteigt, was für einen EGR-Strom von der Abgasseite des Motors zur Einlassseite des Motors erforderlich ist. Demgemäß kann die Drehung des Strombegrenzers verwendet werden, um eine Druckdifferenz (von der Abgasseite des Motors zur Einlassseite des Motors) zu entwickeln, um den EGR-Strom von der Abgasseite des Motors zur Einlassseite des Motors zu unterstützen.The inventors have found that the ratio between boost pressure and back pressure and back pressure alone increased as a function of engine speed and engine load, both at sea level and altitude, thereby making the current limiter device in the exhaust system an ideal control parameter. When the swingable current limiter is rotated toward the closed position, the turbine housing acts as if it were a turbine housing with a smaller A / R ratio than in a case where the current limiter is in the open position. This causes the exhaust back pressure to increase, which is required for an EGR flow from the exhaust side of the engine to the intake side of the engine. Accordingly, the rotation of the current limiter may be used to develop a pressure difference (from the exhaust side of the engine to the intake side of the engine) to assist the EGR flow from the exhaust side of the engine to the intake side of the engine.

Gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung wird der effektive Massenstrom zum Turbinenrad durch einen Strombegrenzer gesteuert, der um einen Punkt im Turbinengehäuseeinlass oder -fuß geschwenkt wird, so dass das schwenkbare Ventilelement (72) des Strombegrenzers in der offenen Position in einer Linie mit der Trennwand (25) des Turbinengehäuses liegt, wodurch die Beschränkung für den Abgasstrom minimiert wird. Wenn eine stärkere Beschränkung oder ein kleinerer Massenstrom zum Turbinenrad erforderlich ist, wird der Schwenkarm (73) betätigt, damit er sich um seine Achse (74, 78) dreht, wodurch bewirkt wird, dass das schwenkbare Ventilelement (72) den Strom des Abgases zum großen Verdichter (48) behindert, wodurch eine modulierbare Verringerung des Massenstroms zum Turbinenrad hervorgerufen wird.According to the first embodiment of the invention, the effective mass flow to the turbine wheel is controlled by a current limiter, which is pivoted about a point in the turbine housing inlet or foot, so that the pivotable valve element (FIG. 72 ) of the current limiter in the open position in a line with the partition wall ( 25 ) of the turbine housing, thereby minimizing the restriction on exhaust flow. If a greater restriction or smaller mass flow to the turbine wheel is required, the swing arm ( 73 ) so that it moves around its axis ( 74 . 78 ), thereby causing the pivotable valve element ( 72 ) the flow of exhaust gas to the large compressor ( 48 ), causing a modulatable reduction in mass flow to the turbine wheel.

Bei einer in den 11A und 11B dargestellten Variation der ersten Ausführungsform der Erfindung nimmt der Strombegrenzer die Form eines Schmetterlingsventils (80) an, das das Moment am Schwenkarm (81) verringert, was die mögliche Verwendung einer geringeren Kraft und damit eines kostengünstigeren Stellglieds zulässt. In 11A, welche eine Schnittansicht der ersten Variation der ersten Ausführungsform der Erfindung ist, sind die Konfigurationen der Lagerflächen und des Kolbenrings die gleichen wie gemäß der ersten Ausführungsform. In 11B befindet sich der Schwenkort im Fall der Schmetterlingskonfiguration in etwa in der Mitte des Stromwegs zum großen oder nabenseitigen Verdichter (48), so dass die Drehung des Schmetterlingsventils (77) um seine Achse (74, 84) eine einstellbare Strombegrenzung zum nabenseitigen Verdichter (48) bereitstellt, wodurch der Strom zum luftkanalseitigen Verdichter (49) begünstigt wird. Im Fall dieser Variation der ersten Ausführungsform der Erfindung ist das Schmetterlingsventil in der in 11B dargestellten Position einer Beschränkung auf einen minimalen Strom mit dem Strom durch den Verdichter ausgerichtet, so dass die Spitzen des Schmetterlingsventils den nabenseitigen Verdichter (48) schließen oder abschatten. Eine Schmetterlingsventillösung hat den Vorteil geringerer Stelllasten, weil die Momente auf beiden Seiten des Schwenkpunkts einander aufheben.At one in the 11A and 11B In the illustrated variation of the first embodiment of the invention, the current limiter takes the form of a butterfly valve ( 80 ), the moment on the swivel arm ( 81 ), which allows the possible use of a lower force and thus a lower cost actuator. In 11A 1 which is a sectional view of the first variation of the first embodiment of the invention, the configurations of the bearing surfaces and the piston ring are the same as in the first embodiment. In 11B In the case of the butterfly configuration, the swivel location is approximately in the middle of the flow path to the large or hub-side compressor ( 48 ), so that the rotation of the Butterfly valve ( 77 ) about its axis ( 74 . 84 ) an adjustable current limit to the hub side compressor ( 48 ), whereby the flow to the air channel side compressor ( 49 ) is favored. In the case of this variation of the first embodiment of the invention, the butterfly valve is in the 11B aligned position of a restriction to a minimum flow with the flow through the compressor, so that the tips of the butterfly valve the hub-side compressor ( 48 ) or shade. A butterfly valve solution has the advantage of lower actuator loads because the moments on either side of the pivot point cancel each other out.

Wenn sich der Strombegrenzer in der teilweise offenen Position befindet, kann der Strom vom luftkanalseitigen (kleineren) Verdichter (49) zum nabenseitigen (größeren) Verdichter (48) weiter erleichtert werden, indem entweder die Länge der Trennwand (25) verringert wird oder indem in der Trennwand Schlitze ausgebildet werden.When the current limiter is in the partially open position, the flow from the air duct side (smaller) compressor ( 49 ) to the hub-side (larger) compressor ( 48 ) be further facilitated by either the length of the partition ( 25 ) or by forming slots in the partition wall.

Typischerweise sind die Trennwände der Turbinengehäuse in der Welt kommerzieller Dieselmotoren, in der erwartet werden kann, dass das Produkt eine Million Meilen läuft, für Risse anfällig. Die Erfinder haben eine Gelegenheit gesehen, diese Rissanfälligkeit in der Trennwand durch Einbringen vorgegossener spannungsverringernder Merkmale in der Trennwand mechanisch zu minimieren. 12B zeigt ein entlang dem Schnitt A-A aus 12A betrachtetes Turbinengehäuse. Diese abschnittsweise Unterteilung wird typischerweise vorgenommen, um den Zustand des Turbinengehäuses nach einem Wärmezyklus-Qualifikationstest zu beurteilen, bei dem der Turbolader in einer Bemühung, seine Rissbeständigkeit zu bestimmen, extremen Temperaturzyklen ausgesetzt wird. In 12B sind die dargestellten Risse (87) typisch für ein kommerzielles Diesel-Turbinengehäuse im Trennwandbereich.Typically, the turbine housing partitions in the world of commercial diesel engines, where the product can be expected to travel a million miles, are prone to cracking. The inventors have seen an opportunity to mechanically minimize this susceptibility to cracking in the bulkhead by incorporating precast stress relieving features in the bulkhead. 12B shows one along the section AA 12A considered turbine housing. This segmental subdivision is typically performed to assess the condition of the turbine housing after a thermal cycle qualification test wherein the turbocharger is subjected to extreme temperature cycling in an effort to determine its crack resistance. In 12B are the cracks ( 87 ) typical of a commercial diesel turbine housing in the partition wall area.

Die Erfinder haben vermutet, dass, wenn ”Spannungsminderer” in Form von Schlitzen oder Öffnungen in die Trennwand eingegossen werden, diese Öffnungen nicht nur die Rissneigung minimieren würden, sondern unter Bedingung eines teilweisen bis vollständigen Schließens des Beschränkungsventils auch einen Stromweg vom unmodulierten luftkanalseitigen Verdichter zum modulierten nabenseitigen Verdichter bereitstellen würden. Dieser zusätzliche Stromweg bietet einen Strom zum Turbinenrad über eine größere Umfangsstrecke oder -fläche als dies ohne die Schlitze oder Öffnungen möglich wäre.The inventors have suggested that if "voltage reducers" in the form of slots or openings are poured into the dividing wall, these openings would minimize not only the tendency to crack, but also a current path from the unmodulated air channel side compressor to partial closing of the restricting valve would provide modulated hub-side compressor. This additional power path provides power to the turbine wheel over a larger circumferential distance or area than would be possible without the slots or openings.

Gemäß der in 13 dargestellten zweiten Ausführungsform der Erfindung wird der effektive Massenstrom zum Turbinenrad durch einen Strombegrenzer in einem asymmetrischen Turbinengehäuse mit in der Trennwand ausgebildeten Querströmungsöffnungen (88) gesteuert. Gemäß der bevorzugten zweiten Ausführungsform der Erfindung ist die Fläche der Öffnungen durch die Radiale (89) der Vorderkante, die Radiale (90) der Hinterkante, das kreisförmige Segment (92) der Innenkante und die Spirale (91) der Außenkante für jede Öffnung begrenzt. Die Summe der Flächen der Querströmungsöffnungen im Turbinengehäuse ist in etwa gleich der Fläche des modulierten Verdichters in Abschnitt ”A”. Wichtig ist die Summe der Flächen der Öffnungen und nicht die Geometrie der Öffnungen.According to the in 13 illustrated second embodiment of the invention, the effective mass flow to the turbine by a current limiter in an asymmetric turbine housing with formed in the partition cross-flow openings ( 88 ) controlled. According to the preferred second embodiment of the invention, the area of the openings through the radial ( 89 ) of the leading edge, the radial ( 90 ) of the trailing edge, the circular segment ( 92 ) of the inner edge and the spiral ( 91 ) limits the outer edge for each opening. The sum of the areas of the transverse flow openings in the turbine housing is approximately equal to the area of the modulated compressor in section "A". Important is the sum of the areas of the openings and not the geometry of the openings.

Bei einer in 14 dargestellten Variation der zweiten Ausführungsform der Erfindung wird der effektive Massenstrom zum Turbinenrad durch einen Strombegrenzer in einem asymmetrischen Turbinengehäuse mit in der Trennwand ausgebildeten Querströmungsschlitzen (95) gesteuert. Gemäß der bevorzugten zweiten Ausführungsform der Erfindung ist die Fläche der Schlitze durch die Radiale (98) der Vorderkante, die Radiale (99) der Hinterkante und die Spirale (91) der Außenkante für jede Öffnung begrenzt und ist die innere Begrenzung durch den Basiskreis (71) gegeben. Die Summe der Flächen der Querströmungsschlitze im Turbinengehäuse ist in etwa gleich der Fläche des modulierten Verdichters in Abschnitt ”A”. Wichtig ist die Summe der Flächen der Schlitze und der Querströmungsfläche innerhalb der Trennwandspitze und nicht die Geometrie der Schlitze. Gemäß der bevorzugten zweiten Ausführungsform der Erfindung kann die äußere Begrenzung (97) des Schlitzes durch eine Schlüssellochkonfiguration als äußerer Abschluss des Schlitzes gekennzeichnet werden, um die Neigung des Schlitzes, als ein Spannungserhöher zu wirken und ein Reißen einzuleiten, zu minimieren.At an in 14 In the illustrated variation of the second embodiment of the invention, the effective mass flow to the turbine wheel is determined by a current limiter in an asymmetric turbine housing with cross-flow slots formed in the bulkhead (US Pat. 95 ) controlled. According to the preferred second embodiment of the invention, the area of the slots through the radial ( 98 ) of the leading edge, the radial ( 99 ) of the trailing edge and the spiral ( 91 ) bounded the outer edge for each opening and is the inner boundary by the base circle ( 71 ). The sum of the areas of the cross-flow slots in the turbine housing is approximately equal to the area of the modulated compressor in section "A". Important is the sum of the areas of the slots and the cross-flow area within the partition wall tip, not the geometry of the slots. According to the preferred second embodiment of the invention, the outer boundary ( 97 ) of the slot may be characterized by a keyhole configuration as the outer termination of the slot to minimize the tendency of the slot to act as a tensioner and initiate tearing.

Mehrstrom-Turbinengehäuse mit der Verdichtertrennwand parallel zur Turboladerachse, d. h. axialen Flächen statt radialer Flächen wie bei dem einfachen Doppelstromturbinengehäuse, sind nicht unüblich. Die Erfinder haben die Gelegenheit gesehen, eine ähnliche Logik für Mehrstrom-Turbinengehäuse mit asymmetrischen Verdichterflächen in Zusammenhang mit einem Strombegrenzer zu verwenden, um den Strombereich einer Turbinenstufe mit diesem Typ eines Turbinengehäuses weiter kostenwirksam zu verbreitern.Multi-flow turbine casing with the compressor dividing wall parallel to the turbocharger axis, d. H. Axial surfaces instead of radial surfaces as in the simple double-flow turbine housing, are not uncommon. The inventors have seen the opportunity to use similar logic for multi-flow turbine housings with asymmetric compressor surfaces in conjunction with a current limiter to further cost-effectively broaden the current range of a turbine stage with this type of turbine housing.

Gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung wird vorzugsweise ein Dreistrom-Turbinengehäuse verwendet, wie es in 15A dargestellt ist. Zwei axiale Verdichtertrennwände (103, 104) sind im Turbinengehäuse ausgebildet, so dass das Verhältnis der Ströme durch die unbeschränkten benachbarten Verdichter von außen nach innen in etwa 70% bis 20% bis 10% reicht. Diese Proportionen können abhängig von den Anforderungen geändert werden. Das Verhältnis der Ströme ist nur in der Hinsicht wichtig, dass die Summe der offenen Flächen der modulierten Verdichter gleich der Fläche des modulierenden Beschränkungsventils ist. Es ist ein Strombegrenzungsventil vorgesehen. Das Strombegrenzungsventil schwenkt um einen Punkt im Turbinengehäuseeinlass oder -fuß, so dass in der offenen Position die Platte (89) des Strombegrenzers mit der Wand des äußeren Verdichters des Turbinengehäuses abschließt, wodurch die Beschränkung des Abgasstroms minimiert wird. Wenn eine stärkere Beschränkung oder ein kleinerer Massenstrom zum Turbinenrad erforderlich ist, wird der Schwenkarm (73) betätigt, damit er sich um seine Achse dreht, wodurch bewirkt wird, dass die Platte (89) den Strom des Abgases zuerst zum äußeren Verdichter bzw. zu den äußeren Verdichtern, gefolgt vom mittleren Verdichter, behindert. Auf diese Weise wird der effektive Massenstrom zum Turbinenrad durch einen Strombegrenzer gesteuert, der eine modulierbare Verringerung des Massenstroms zum Turbinenrad ermöglicht.According to the third embodiment of the invention, a three-flow turbine casing is preferably used, as it is in 15A is shown. Two axial compressor partitions ( 103 . 104 ) are formed in the turbine housing so that the ratio of flows through the unrestricted adjacent compressors from outside to inside ranges from about 70% to 20% to 10%. These proportions can be changed depending on the requirements. The ratio of the flows is important only in that the sum of the open areas of the modulated compressors is equal to the area of the modulating restrictor valve. There is a current limiting valve. The flow restrictor pivots about a point in the turbine housing inlet or foot so that in the open position, the plate (Fig. 89 ) of the current limiter with the wall of the outer compressor of the turbine housing, whereby the restriction of the exhaust gas flow is minimized. If a greater restriction or smaller mass flow to the turbine wheel is required, the swing arm ( 73 ) so that it rotates about its axis, thereby causing the plate ( 89 ) obstructs the flow of exhaust gas first to the outer compressor (s) followed by the middle compressor. In this way, the effective mass flow to the turbine wheel is controlled by a current limiter, which allows a modulatable reduction in mass flow to the turbine wheel.

Bei einer Variation der dritten Ausführungsform der Erfindung sind die Trennwände (106, 107) mit Schlitzen (108) versehen, um zu ermöglichen, dass ein Strom von den äußeren Verdichtern die inneren Verdichter und dann das Turbinenrad (70) erreicht. Die Schlitze (108) ermöglichen auch eine Massenstrommodulation, jedoch mit einer konsistenteren und günstigeren Stromverteilung zum Turbinenrad.In a variation of the third embodiment of the invention, the partitions ( 106 . 107 ) with slots ( 108 ) to allow a flow from the outer compressors to the internal compressors and then the turbine wheel ( 70 ) reached. The slots ( 108 ) also allow mass flow modulation, but with a more consistent and cheaper power distribution to the turbine wheel.

Claims (14)

Turbolader mit veränderlichem Strom, welcher aufweist: (a) ein Turbinengehäuse (2) mit einem Turbineneinlassabschnitt an einem Turbinengehäusefuß (51) zur Kopplung mit einem Abgasverteiler, um einen Abgasstrom zu empfangen, einem Turbinenauslassabschnitt (52) und einer Verdichterkammer zwischen dem Turbinengehäusefuß und dem Auslassabschnitt, (b) ein Turbinenlaufrad (70) mit einer Vielzahl von Schaufeln, die sich innerhalb des Turbinengehäuses befinden, um einen Abgasstrom von der Verdichterkammer zu empfangen, (c) mindestens eine Verdichtertrennwand, um die Verdichterkammer in eine größere Verdichterkammer (48) und eine kleinere Verdichterkammer (49) zu unterteilen, und (d) Abgasstromsteuerventilmittel, die dafür eingerichtet sind, den Grad der Blockage des in die größere Verdichterkammer strömenden Abgases zu steuern.A variable flow turbocharger comprising: (a) a turbine housing ( 2 ) with a turbine inlet section on a turbine housing foot ( 51 ) for coupling to an exhaust manifold to receive an exhaust gas stream, a turbine outlet section (US Pat. 52 ) and a compression chamber between the turbine housing foot and the outlet section, (b) a turbine runner ( 70 ) having a plurality of blades located within the turbine housing for receiving an exhaust gas flow from the compression chamber; (c) at least one compressor separation wall for moving the compression chamber into a larger compression chamber (10); 48 ) and a smaller compression chamber ( 49 and (d) exhaust flow control valve means arranged to control the degree of blockage of the exhaust gas flowing into the larger compression chamber. Turbolader mit veränderlichem Strom nach Anspruch 1, wobei die Abgasstromsteuerventilmittel veränderlich einstellbar sind.The variable flow turbocharger of claim 1, wherein the exhaust flow control valve means are variably adjustable. Turbolader mit veränderlichem Strom nach Anspruch 1, wobei die Verdichtertrennwand Öffnungen aufweist, durch die der Abgasstrom zwischen der größeren und der kleineren Verdichterkammer hindurchtreten kann.The variable flow turbocharger of claim 1, wherein the compressor dividing wall has openings through which the exhaust flow can pass between the larger and smaller compressor chambers. Turbolader mit veränderlichem Strom nach Anspruch 1, wobei die Trennwand eine axiale Trennwand ist.A variable flow turbocharger according to claim 1, wherein the partition wall is an axial partition wall. Turbolader mit veränderlichem Strom nach Anspruch 1, wobei die Trennwand eine radiale Trennwand ist.A variable flow turbocharger according to claim 1, wherein the partition wall is a radial partition wall. Turbolader mit veränderlichem Strom nach Anspruch 1, wobei das Volumen des größeren Verdichters mindestens etwa 55% des unterteilten Verdichterraums ausmacht und das Volumen des kleineren Verdichters höchstens etwa 45% des unterteilten Verdichterraums ausmacht.The variable flow turbocharger of claim 1, wherein the volume of the larger compressor is at least about 55% of the divided compressor space and the volume of the smaller compressor is at most about 45% of the divided compressor space. Turbolader mit veränderlichem Strom nach Anspruch 1, wobei das Volumen des größeren Verdichters etwa 55 bis 65% ausmacht und das Volumen des kleineren Verdichters etwa 45 bis 35% des unterteilten Verdichters ausmacht.The variable flow turbocharger of claim 1, wherein the volume of the larger compressor is about 55 to 65%, and the volume of the smaller compressor is about 45 to 35% of the divided compressor. Turbolader mit veränderlichem Strom nach Anspruch 1 mit mindestens zwei axialen oder radialen Trennwänden.A variable current turbocharger according to claim 1 having at least two axial or radial partitions. Turbolader mit veränderlichem Strom nach Anspruch 1, wobei die Trennwand radial ist und wobei der kleinere Verdichter (49) auf der Auslassseite liegt und der größere Verdichter (48) entgegengesetzt zur Auslassseite liegt.A variable flow turbocharger according to claim 1, wherein the partition wall is radial, and wherein the smaller compressor ( 49 ) on the outlet side and the larger compressor ( 48 ) is opposite to the outlet side. Turbolader mit veränderlichem Strom nach Anspruch 1, wobei die Abgasstromsteuerventilmittel ein schwenkbares Ventilelement (72) aufweisen, das dafür ausgelegt ist, zwischen einer offenen Position, in der der Strom zum größeren Verdichter (48) nicht beschränkt ist, und einer Blockierposition, in der der Strom zum größeren Verdichter (48) im Wesentlichen blockiert ist, zu schwenken.The variable flow turbocharger of claim 1, wherein the exhaust flow control valve means comprises a pivotable valve member (10). 72 ), which is adapted between an open position, in the the power to the larger compressor ( 48 ) and a blocking position in which the flow to the larger compressor ( 48 ) is substantially blocked, to pivot. Verbrennungsmotor mit einem Abgasverteiler und einem Turbolader mit veränderlichem Strom, der in einer Fluidkopplung mit dem Abgasverteiler steht, wobei der Turbolader mit veränderlicher Kapazität aufweist: (a) ein Turbinengehäuse (2) mit einem Turbineneinlassabschnitt, einem Turbinenauslassabschnitt (52) und einer Verdichterkammer, (b) ein Turbinenlaufrad, das sich im Turbinengehäuse befindet und eine Vielzahl von Schaufeln aufweist, (c) mindestens eine Verdichtertrennwand, die sich bis in die Nähe des Turbineneinlassabschnitts erstreckt, um die Verdichterkammer in eine größere Verdichterkammer (48) und eine kleinere Verdichterkammer (49) zu unterteilen, (d) einen unterteilten Abgasverteiler (36) mit einem ersten Abgaseinleitdurchgang zum Einleiten von Abgasen in die größere Verdichterkammer und einem zweiten Abgaseinleitdurchgang zum Einleiten von Abgasen in die kleinere Verdichterkammer und (e) Abgasstromsteuerventilmittel, die sich zumindest im ersten Abgaseinleitdurchgang befinden, um den Grad der Blockage der in den ersten Abgaseinleitdurchgang strömenden Abgase zu steuern.An internal combustion engine having an exhaust manifold and a variable flow turbocharger in fluid communication with the exhaust manifold, the variable capacity turbocharger comprising: (a) a turbine housing ( 2 ) with a turbine inlet section, a turbine outlet section ( 52 (b) a turbine runner located in the turbine housing and having a plurality of blades; (c) at least one compressor separation wall extending to the vicinity of the turbine inlet portion, into a larger compression chamber (US Pat. 48 ) and a smaller compression chamber ( 49 ) (d) a subdivided exhaust manifold ( 36 with a first exhaust gas introduction passage for introducing exhaust gases into the larger compression chamber and a second exhaust gas introduction passage for introducing exhaust gases into the smaller compression chamber and (e) exhaust gas flow control valve means located at least in the first exhaust gas introduction passage, by the degree of blockage of the gases flowing into the first exhaust gas introduction passage Control exhaust gases. Turbolader mit veränderlichem Strom nach Anspruch 11, wobei sich die Abgasstromsteuerventilmittel im Turbinengehäuse befinden.The variable flow turbocharger of claim 11, wherein the exhaust flow control valve means are in the turbine housing. Turbolader mit veränderlichem Strom nach Anspruch 11, wobei sich die Abgasstromsteuerventilmittel in dem mit dem Turbinengehäuse gekoppelten Abgasverteiler befinden.The variable flow turbocharger of claim 11, wherein the exhaust flow control valve means are in the exhaust manifold coupled to the turbine housing. Turbolader mit veränderlichem Strom nach Anspruch 11, wobei sich die Abgasstromsteuerventilmittel zwischen dem Abgasverteiler und dem Turbinengehäuse befinden.The variable flow turbocharger of claim 11, wherein the exhaust flow control valve means are located between the exhaust manifold and the turbine housing.
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